準晶體發現者Shechtman給年輕科學家的忠告

在「晶體學」發展整70週年之際,Dan Shechtman教授氣勢如虹地改寫並擴展了「晶體」的定義。

準晶體(quasi-periodic crystals,簡稱quasicrystals)的發現者Dan Shechtman教授於1941年生於特拉維夫,他是以色列的第四位諾貝爾化學獎得主。他在2011年70歲時獲獎,是該年化學獎的唯一得主。他的大學、碩士和博士階段的教育,都在以色列理工學院(Technion – Israel Institute of Technology)完成。接著他前往美國,接受三年的博士後訓練,之後回到母校擔任教職。1982年他於例行教授休假研究期間,在美國國家標準局[1](National Bureau of Standards, NBS)發現了鋁錳合金(Al6Mn)的準晶相,從而開創了物理、化學和材料的新領域,更重寫並擴展了科學家對「晶體」(crystal)的定義。「晶體學」(crystallography)從1912年Max von Laue開創的人類史上首次晶體x光衍射(繞射)實驗算起[2],到1982年,正巧誕生70週年,久被公認為是一門已經發展成熟的科學,除了某些個別材料和物質結構的細節需要進一步表徵與釐清之外,就不再蘊含未知概念體系和待解知識框架了。

圖一 Dan Shechtman教授手持二十面體(icosahedron)模型(摘自網路)

準晶的發現是一個有趣且饒富教育意義的過程,Shechtman教授的學養和個人魅力,決定並引領了這一新興學科的誕生和後續進展。在1980年代中期發現的三種重要嶄新材料和物質結構(準晶、富勒烯,和高溫超導體)[3]中,只有準晶體在被發現之後,遭受到學界的一些抗拒和頑強阻力,因此直到經過約30年的漫長等待之後,才終於獲得諾貝爾基金會的肯定。

獲得諾貝爾獎之後,Shechtman教授立刻有了許多機會,應邀到很多國家的各種大大小小的場合訪問和演講。在這些講演以及接受訪談當中,除了介紹從晶體學的演進到準晶學的突然破繭而出之外,他更每每在敘述專業知識之後,盡心盡力指出他認為最重要的、年輕科學家的養成之關鍵要素。他一再著墨,反覆強調希望能夠啟迪青年走上成功的科學研究∕事業之路。他對於年輕(實驗)科學家之養成的看法,以及為何準晶體不是被其他科學家率先發現的詮釋,非常值得介紹給有心的學子以及第一線的教研人員參考、體會,和效法。

Shechtman教授歸結說,準晶體並不是希有之物(至少有數百種合金以上),在室溫下也基本穩定,而且不難製作(可以使用多種方法製備),可是一直要等到1982年才被他個人發現,原因如下。

首先是欲在實驗中發現準晶體的「有序」(order),但卻呈「準週期性」(quasi-periodic)的晶體結構,需要使用穿透式電子顯微鏡。因為早期的準晶樣品的體積都只有次微米大小,而傳統的x光衍射技術需要使用到毫米尺度的樣品,因此不能採用標準的x光衍射技術來測定其三維原子排列。另外一個重要原因是,當時的晶體學家仍然固守傳統,只願意接受由x光實驗產生的衍射圖形來斷定一種物質的晶體結構,電鏡的衍射數據則被認為是不具備充分說服力的[4]。——在準晶體被發現之前,「晶體」的定義是指擁有數學上「有序」並且呈「週期性」(periodic)排列的三度空間物質結構。就旋轉對稱(rotational symmetry)而言,一個週期性的三維晶體只能出現1,2,3,4和6重旋轉對稱,而徹底排除5重(5-fold)以及更高重旋轉對稱的可能性。70年來,毫無例外的,千千萬萬種已知的晶體,其原子陣列(格點)都呈週期性的排列。

圖二  Dan Shechtman教授的領帶上印著準週期(quasi-periodic)圖形,是以色列理工學院在他獲得諾貝爾獎之前的某年生日特地為他設計精製的。獲獎之後,這款領帶成為該校最暢銷的紀念品之一(摘自網路)

 

其次,Shechtman教授坦率而勇氣十足地自稱他本身是一位「真正的電鏡(術)專家」(an expert in transmission electron microscopy)。即是說,他熟悉電鏡的設計原理、機械構造、拆解、組裝、樣品製備和測量、數據判讀與分析,以及所有相關的一切細節,而不僅是熟練例行性操作手續而已。他認為成為真正的電鏡(術)專家的一個準則是,他在以色列理工學院經年反覆講授這一門課程。因為Shechtman教授確信自己是一位「真正的電鏡(術)專家」,非常清楚自己測量到的意料之外——與教科書內容不符,違反了教科書講授內容——的訊號具有特殊意義,而不是來自於實驗差錯、樣品污染,或製備缺失等。因此他敢於對抗權威,捍衛並堅持自己發現了前所未知的新物質型態,即含有5(或10)重旋轉對稱的嶄新非週期性(aperiodic)晶體結構。

由於顛覆了經典晶體學中5重旋轉對稱不可能存在的認知,因此從1984到1994年的整整10年間,Shechtman教授的發現遭遇到許多反對的聲浪。其中,最強大的阻力和反對聲音來自兩次諾貝爾獎得主Linus Carl Pauling教授(1954年得化學獎,1962年得和平獎,1994年去世)。但是,Shechtman教授不愧是人中之龍,他自始堅信這次晶體學論戰,Pauling一定錯了,終將慘敗!Shechtman的堅持是有其學養依據的,因為他認為Pauling雖然是一位當代最偉大的(美國)化學家,卻並不是電子顯微鏡(術)專家。他斬釘截鐵地說,Pauling闖進了別人的學術專業領域,所以做出了不夠專業(外行)的錯誤判斷。作為一位西方文化的子民,沒有所謂「為尊者諱」的顧忌,Shechtman教授甚至認為,在雙方長年對陣之中,是Pauling使自己成為了晶體學界的笑柄。因為十年之間,Pauling「墨守成規」地發表了許多篇論文,試圖停留在經典晶體學的框架之內,解釋準晶體的衍射行為。——然而,就這一點而言,Pauling還是非常值得敬佩的。他生於1901年,在80多歲到90多歲,而且獲得過兩次諾貝爾獎之後,仍然竭盡心力,努力構思一個又一個理論模型,專注撰寫一篇又一篇學術論文,試圖瞭解最新被發現的物質體系的構成。這豈不正是「活到老,學到老」,為求真知、求理解而孜孜矻矻的典範。

其三,Shechtman教授認為在研究過程中,必須特別注意細節(“details”),尤其是萬一觀測到不合常理、意想不到的細節(“surprising details that you don't expect”)時,更是千萬不可以輕易忽略掉(丟掉數據!?)。他說對於這些意料之外的細節,一定要仔細探究,直到找出原因(“Study and find out what it is.”)。很多時候,違反常理的細節確實來自於實驗失誤或是人為差錯,但也有一些時刻,這裡就是發現科學新知識的關鍵點。Shechtman教授更強調,對於這些不尋常的細節,一定要反覆驗證、驗證,再驗證,以確定測量結果的正確性——他說,在公開數據之前,要好好檢驗10次。一旦肯定測量數據是正確的,就必須堅持,不畏權威,更不用懷疑自己的測量結果與教科書上傳授的知識概念不符。總之,Shechtman教授對於數據的堅定信心來自於他已經把自己培養成為一位「真正的電鏡(術)專家」,他知道自己在做什麼,看到了什麼,並且確信排除了各方面的可能錯誤,因此這些數據必定是真確的,是反映直截了當的事實!他建議年輕學子,在自己的研究過程中,一旦遭遇∕發現這類細節,就要緊緊抓住,不可鬆手,絕不鬆手!因為這裡很可能就是你的科學事業的成功之鑰。如何反駁自己的實驗數據與教科書上知識不符的嚴苛挑戰,Shechtman教授則說,不要理會為何教科書上沒有教導這些(新)知識,而是應該要求質疑者指出數據有何不對,哪裡不妥(“Don’t tell me it’s not in the book. Show me what’s wrong.”),並請質疑者自己去進行實驗,自己去眼見為憑。

從1982年4月Shechtman教授第一次在穿透式電子顯微鏡中觀測到了5(或10)重旋轉對稱的準晶相,到1984年11月他的第一篇論文正式發表於《Physical Review Letters》期刊(見下段)的兩年半間,他獲得了一些學者的支持,鼓勵他應該追根究底,繼續挖掘這一未知晶體結構的本質。但是同時他也遭受到了嚴重的挫折和打擊,一些學者指控他沒有讀懂教科書上的內容而不知所云。前者是他在美國國家標準局的接待者John Cahn博士,後者則是他在以色列理工學院的所屬研究組組長。那一位組長認為Shechtman的「胡言亂語」——大言不慚地說看到了5(或10)重旋轉對稱——會使研究組被嘲笑和帶來羞辱,因此要求Shechtman必須離開該組。

最後,還有一個關於論文發表的故事。當發現了鋁錳合金準晶排列的5重旋轉對稱之後,Shechtman教授首先於1984年9月將其論文(與Ilan A. Blech教授合著[5])投到《Journal of Applied Physics》期刊。但是《Journal of Applied Physics》期刊的編輯並沒有將論文送審,而是直接退稿。8個月之後(1985年6月),論文才輾轉刊登在《Metallurgical Transactions A》期刊上。被《Journal of Applied Physics》期刊退稿之後,John Cahn博士方才讀到了論文稿件,他即刻建議邀請另外一位法國數學晶體學專家Denis Gratias博士前來國家標準局一起討論。他們將原始論文大幅度濃縮和改寫,言簡意賅直陳事實。這篇一夕激起千尺浪,重新定義了物質結構知識範疇的論文,迅速被接受發表於1984年11月的《Physical Review Letters》期刊上。John Cahn無疑是Shechtman的伯樂,他們兩人的學術生涯,相得益彰。John Cahn對準晶相的敏感嗅覺和能夠迅速、深刻地掌握其內涵,對準晶體學的確立功不可沒。這是另外一段具有高度啟發意義的故事,值得讀者自行去尋找文獻與資料、閱讀字裡行間,和思考領會。在這一篇奠立了他的國際級晶體學家地位的《Physical Review Letters》期刊論文之前,Shechtman教授只在一般性的冶金以及材料科學與工程類專業期刊,發表過大約20篇論文![6]

關於家庭,Shechtman教授說他為家人感到非常驕傲,因為他有四個小孩,10個孫子,還有一位妻子。他認為最重要的一件事是,他希望當孫子們馬齒增加,曾孫們也逐漸長大之後,他的曾孫們都會留在以色列,因為那是他們的國家,他們(曾孫們)別無選擇。


後記:  本文取材於美國物理學會刊物《APS NEWS》(2017年3月,第26卷第3期)中Alaina G. Levine的文章〈Nobel Laureate Dan Shechtman: Advice for Young Scientists〉,Shechtman教授的諾貝爾獎演講稿(Noble Lecture),以及網路上Shechtman教授的各式演講和接受訪問的資料。


人性的一面: 1978年年中,物理學家費曼(Richard Feynman)切除一個惡性腫瘤。Linus Pauling聞訊後,寫了一封慰問信,請女兒Linda轉交給費曼。信中Pauling勸費曼多吃維他命C,同時附上一些吃維他命C的功效的「參考文獻」。結尾,Pauling又再叮嚀,「附筆:不要吃甜食,少吃肉。多吃蔬菜、水果、蔬果汁和果汁。」一個多星期後,費曼回信感謝,說:「Linda已經把資料統統都告訴我了,就是你在信裡詳細叮嚀的那些事。Linus,你最大的成就之一,就是協助生出這麼可愛的女兒來。」(《費曼手札——不休止的鼓聲》,葉偉文譯,天下文化(台北)2005年出版。)又,Pauling提倡多吃維他命C,是科學史上的一段公案。


[1] 美國國家標準局已於1988年改組為國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)。   

[2] Max von Laue因為發現了晶體的x光衍射行為而獲得1914年諾貝爾物理學獎。x光在1895年11月被Wilhelm Conrad Röntgen發現,Röntgen因而獲得史上第一個諾貝爾物理學獎(1901年)。但他拒絕為x光申請專利,謝絕同事和朋友的建議用自己的名字命名(但是後人有時還是將x光稱為倫琴射線),並婉拒在諾貝爾獎頒獎典禮上發言。   

[3]   高溫超導體發現於1986年,次年其兩位發現者J. Georg Bednorz和K. Alexander Müller即獲得諾貝爾物理學獎。這是諾貝爾獎授獎歷史上,最快速的一個。1996年的諾貝爾化學獎頒給了富勒烯(fullerenes)的發現者Robert F. Curl Jr.,Sir Harold W. Kroto和Richard E. Smalley。  

[4] 直到1987年,以日本和法國為主的材料學家才成功生長出足夠大尺度的準晶體樣品,並進行x光衍射實驗。至此,晶體學家才首肯有5重旋轉對稱的晶體存在。

[5] Ilan Blech是以色列理工學院的教授,他是第一位願意仔細聆聽和思考Shechtman的準晶體數據的學者。他首先提出這些電鏡衍射數據可能來自於新型態的晶體相的想法。

[6] 狗尾續貂一個批注:1986–1987年間,筆者也曾短暫參與過一系列的低溫實驗,進行準週期性超導體超晶格(superlattices)的研究。當時美國密西根大學(University of Michigan–Ann Arbor)物理系的凝聚態實驗室「奢侈地」用分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)生長了週期性和準週期性(Fibonacci sequence)的鈮-鉭超晶格。我們「很好玩地」比較了兩系列樣品的超導特性,論文發表於Physical Review B,1988年第38卷第2326頁。在1980年代,MBE是非常昂貴的儀器。全世界擁有MBE設備的實驗室,幾乎都是用於生長半導體結構或元件,用來生長金屬和傳統超導體(高溫超導體發現的前夕)多層膜(multilayers)的實驗室,少之又少。


林志忠  教授

交通大學物理研究所及電子物理系

Email: jjlin@mail.nctu.edu.tw

 

 

 

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