2011年諾貝爾化學獎得主–丹.薛契曼教授
 
2012/05/08
 
邱德威 | 臺北科技大學材料及資源工程系
陳貞光 | 臺北科技大學材料及資源工程系
 
 
1941年1月24日,丹.薛契曼(Dan Shechtman)出生於以色列的特拉維夫,1966年在以色列理工學院(Technion, Israel Institute of Technology)取得機械工程學士學位後,在1968與1972年分別取得材料科學碩士與博士學位。1972至1975年間,薛契曼博士獲得美國國科會的獎學金,前往萊特.帕特森空軍基地的航空太空研究實驗室擔任博士後研究員。1975年他返回母校擔任材料工程系的講師,目前已成為該校的傑出教授,並擔任菲利普托比亞斯講座教授的職務。

他曾多次以訪問學者的身分前往美國學術機構訪問研究,其中包括美國國家標準技術研究院(NIST的前身)。2004年間,他也曾擔任愛荷華州立大學材料工程學系的兼任教授與美國能源部埃姆斯國家實驗室(Ames Laboratory)的研究員。2011年,薛契曼博士因為研究準晶(quasicrystal)獲得了諾貝爾化學獎,這是他1982年在NIST的研究成果。

1981至1983年間,謝特曼博士到約翰.霍普金斯大學訪問研究時,參與美國國家標準技術研究院的合作計畫,研究快速凝固的鋁—過渡金屬合金。

由於快速凝固會產生極細小的晶粒,必須利用微小的光束才能觀察,而具備細小光束、短波長與高能量特性的電子束成為重要的分析工具。這些高能量的電子束可以穿透奈米級的薄金屬試片、觀測埃米(10-10米)級的影像,利用另一個諾貝爾物理獎(1986年)的發明—穿透式電子顯微鏡(TEM),觀測這些微小晶粒所產生的繞射圖形,可據以決定這些材料的晶體結構。現代的高解析度穿透式電子顯微鏡,甚至可以直接觀察到原子的影像。

1982年4月8日,薛契曼博士在黑暗的穿透式電子顯微鏡室裡獨自沉浸在原子世界中,他在黑暗中的磷光下發現鋁—錳化合物(Al6Mn)產生了一個十重對稱的繞射圖譜。這是可以讓所有電子顯微鏡科學家腎上腺素激升、興奮莫名的現象,因為在傳統晶體結構的認知中,不應該有十重對稱軸的存在,薛契曼博士甚至在他的手寫實驗紀錄本上一連打了3個大問號!

在傳統的晶體學中,晶體是由原子在三度空間中,沿著三個方向以固定的周期複製其原子排列結構,或直移對稱所構成的。傳統的晶體學認為,為了能以重複的原子結構把空間填滿,這些三度空間的晶體只可有一、二、三、四或六重旋轉對稱軸,其中並不包括五重與十重對稱。

一個二十面體的晶體模型能包含二重、三重與五重旋轉對稱軸,外表雖似充滿對稱,但這個模型並無法以相同的形狀與周期無限延伸堆疊填滿整個空間,因此稱為「準晶」。

在穿透式電子顯微鏡下,五重對稱與二重對稱軸結合成十重對稱的繞射圖形,這就是為什麼薛契曼博士觀察到的是十重對稱而非五重對稱。但薛契曼博士的研究結果一發表出來,就引起許多爭議與批評。

薛契曼博士曾經歷眾多科學家的撻伐,其中最猛烈的砲火來自20世紀的量子化學泰斗Linus Pauling(鮑林,1901-1994,曾獲諾貝爾1954年的化學獎及1962年的和平獎,是史上唯二獲得兩項諾貝爾榮冠的學者之一)。他在一場國際研討會中,當著謝特曼博士的面說:「我的朋友們請歇止討論吧!這世上沒有所謂的『準晶』,只有所謂的『準科學家』。」(Rest easy, my friends. There is no such thing as quasicrystals. There are only quasi-scientists.)

這一抨擊可說是對科學家人格的極大羞辱,當時薛契曼博士參與的研究團隊的主持人甚至請他「再回去讀讀教科書」(Go back and read the textbook.),並要求他離開研究團隊,因為這項充滿爭議的論點已經使團隊蒙羞(to leave for bringing disgrace on the team)。

對於主流學界的抨擊,薛契曼博士擁有超乎常人的韌性去維護他的理念,如果他不這麼做,這個問題就會被捲入歷史的洪流中,始終無法獲得解答。實際上類似的結構過去也曾發現過,但大部分的科學家通常以「雙晶」結構或產生了其他不知名的相結構(phase)帶過。

薛契曼博士利用了穿透式電子顯微鏡的分析特長,在三度空間中旋轉這些鋁錳化合物晶粒,確認了二重、三重、五重旋轉對稱軸固定的角度關係。他也利用穿透式電子顯微鏡的繞射圖形拍攝出暗場影像(dark field images),並進行聚焦光束的實驗,確認這個晶體結構並非起自於雙晶組織,而是原子的排列確實同時擁有這3個旋轉對稱軸。這位卓越的電子顯微鏡學家就在對的時間與對的地點抓住了那個微小的晶粒,驗證了他的主張,成為把這個問題帶到世人面前的偉大科學家,諾貝爾化學獎是他應得的榮耀。

1984年,薛契曼博士對準晶的研究結果刊登在美國物理學會的《物理評論快訊》(Physical Review Letters)上,這篇文章另有3位共同作者:Ilan Blech、Denis Gratias、John Cahn。其中,Blech是第一個相信薛契曼博士研究數據的人,他協助薛契曼博士建立了理論模型;Gratias是位晶體學家,負責提供數學基礎;Cahn是另一位世界知名的材料科學家,專精熱力學與相變態學,曾獲得1998年的美國國家科學獎章與2011年的京都獎,在NIST有崇高的學術地位,他大力幫助薛契曼博士撰寫文章爭取應得的注意。

科學界常被爭議的課題所吸引,準晶開始獲得許多科學家的注意,後來也陸續以數據確認了薛契曼博士的觀點。其中包括時任東北大學博士研究生、現任日本東北大學多元物質研究所的台籍蔡安邦教授在1987年的論文中,也附和了薛契曼教授的觀點,陸續發現許多不同合金系統中的準晶。當初不同意薛契曼博士主張的教科書,也已經修正並開始討論準晶與非周期性的原子排列。

準晶所受到的關注,一切歸功於薛契曼博士自身的堅持與毅力。這一傳統學說的反轉成為一場科學革命的濫觴,因此2011年的諾貝爾化學獎由薛契曼博士獨得。

這項研究改變了人們對晶體材料的思維,在漫長的研究生涯中,薛契曼博士的堅持與銳利的觀察故事激勵了世界各地的科學家。這項成就也使他獲得許多獎項,包括美國物理學會的國際新材料獎(1987年),沃爾夫物理獎(1999年)、歐洲材料研究學會25周年獎(2008年)等,使他以一位冶金學家出身,成為出名的電子顯微鏡學家與科學家。

薛契曼博士的發現引起學界的熱烈迴響,刺激了包括:新的數學方法(非周期性排列,aperiodic tiling)、新的物理學(輸送、磁學、電子結構)、新的材料科學(電子顯微鏡的新技術、發現新的相、這些硬質金屬表面的摩擦力及其製備方法)、新化學(異質觸媒)等領域。在1980年代後期,由於具備熱力學穩定性的準晶相研究獲得了大幅進展,因此已經可以製備出更大、具熱穩定性的單晶樣品。

現在已知的準晶具有許多非比尋常的物理特性,它擁有硬、脆的機械特性與低導熱率,也有較低的表面能與摩擦係數,其特殊應用仍持續地被投以關注。

(部分內容摘譯自愛荷華州立大學(Iowa State University)Dan Shechtman教授網頁:http://www.engineering.iastate.edu/directory/?user_page=dans

深度閱讀
  1. Shechtman, D, I. Blech, D. Gratias, and J.W. Cahn(1984), Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry. Physical Review Letters, 53(20), 1951-1953.
 
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