无中生有的东西:从2011准晶获诺贝尔化学奖、怀念郭可信先生，为获诺奖而研究是非常危险的，急功近利的

2011年诺贝尔化学奖刚刚颁发给了“准晶”发现者的Dan Shechtman。消息一出来，忽然想起来早些年去世的郭可信先生。一位我虽未有机会谋面、但心中最为敬佩的国内的教育家和科学家。

如果郭先生现在还在世，他能否和Shechtman分享今年的诺贝尔奖呢？This is an open question...

现转载郭先生生前在《金属研究所建成60周年纪念专集》中的一篇自述。一方面让大家更多的了解中国学者在准晶探究领域的突出贡献和这段发展的历史，另一方面也可以让我们年轻一辈再次感怀郭先生在科研上明锐的嗅觉，以及培育人才、因才施教的不遗余力和大智慧。

五重旋转对称和二十面体准晶体的发现

郭可信

我早年曾在欧洲从事过近十年的合金钢中的碳化物及合金相研究，除了X射线衍射外，还使用过当时还算比较新颖的电子显微镜。在1953年曾在Acta metallurgica发表了3篇有关η-M6C，η2-（Ti,Ta）4Ni2C, Laves相和Sigma相的论文。这些合金相的晶体结构中都有众多稍微畸变了的二十面体原子团簇（正二十面体是由20个正三角形围成的凸正多面体，每5个正三角形围出一个正五重顶，通过每一对相对着的五重顶有一个五重旋转对称轴。通过每一对相对着的三角形中心有一个三重旋转轴；通过每一对相对着的棱的中点有一个二重旋转轴。二十面体点群的符号是235，而立方晶体系中四面体点群的符号是23。）

1956年春天，我在海牙读到周总理“向科学进军”的号召，深受感动，在五一节前回到北京，随后分配到金属研究所工作，直到1987年才转到北京电子显微镜开放实验室工作。前后在沈阳工作三十一年，时间不算短，以正值壮年，本应有所作为，但是生不逢时，前后赶上大跃进和文化大革命两次大动荡，我的基础研究一直没能在祖国大地扎根。幸好在打倒四人帮后迎来了科学的第二个春天，我才得以在1983年60岁时才又开始合金相的电子显微镜研究。我与叶恒强、李斗星合作在镍基和铁基合金中发现了一系列的与Sigma相和Laves相有关的四面体密堆合金相。在我们的指导下，我的研究生王大能在1984年夏发现了五重旋转对称，张泽在1985年春发现了Ti-Ni 二十面体准晶，我们五人共同在1987年获得了国家自然科学一等奖。我总算在过了花甲之年后才做出一点成绩，以谢国人，也有了一些值得回忆的事。

大约是在1980年的一天，王元明同志从北京回来对我说,他从科学院进口装备处了解到院里准备引进一两台电子显微镜。我随即去北京活动，向郁文秘书长立下军令状，保证在电镜安装后三年内做出出色成绩，就这样决定为金属研究所订购一台当时分辨率最高的JEM200CX电子显微镜。同时积极养科研骨干，除了组织大家系统学习电子衍射动力学理论和高分辨电子显微镜成像理论外，还安排叶恒强同志先后去美国和比利时师从Cowley及Amelinckx, 关若男同志去日本师从Hashimoto, 李斗星同志去瑞典师从Andersson，乔桂文同志去剑桥大学从Howie ，学习高分辨电子显微学。叶恒强、吴玉琨和我合著的《电子衍射图》也在1983年出版（科学出版社）。从日本引进的电镜也在1983年安装就绪，就安排一批研究生使用这台电镜做学位论文工作，大家排队一天三班倒使用这台电镜，我们的实验室在夜里总是灯火辉煌，热闹非常。据统计，那几年这台电镜加高压的运转时间每年多达五千多个小时，平均每天工作十几个小时，几乎每天都会有一些新结果，我也经常处于兴奋状态。至今我仍很怀念那时上下一心，忘我献身的精神。李斗星同志曾对我说过，忙了一夜，毫无结果，天已朦亮，人也疲惫不堪，眼睛酸疼，准备停机, 但又不忍就此罢手无功而返，就又坚持一段。几经反复，终于在天大亮时找到一些新鲜结果，顿时喜出望外，所有的疲备一下子都不知飞到哪里去了。坚持到最后一刻就会得到意想不到的回报。

与基础研究告别了四分之一世纪，一时不知从何下手，于是我们就在材料科学这个战场上摆开一个宽广的战线。由叶恒强带领张泽、张锦平、王大能做合金相研究；吴玉琨，黑祖琨带领赖宗和、郭永翔做非晶态研究；李斗星带领秦禄昌、张晶做半导体研究；邹本三带领王岩国做矿物研究；关若男带领关庆丰做氧化物研究；乔桂文带领王龙做催化剂研究；杨奇斌带领王曾楣做高维晶体学的研究；王元明带领曲华、陈江华做电子模拟像计算；我自己带着张卫平做有机分子的研究。浩浩荡荡地开始了大规模的电镜“普查”。到了1984年夏，这些工作都取得一些进展，但是最有意义的还是叶恒强和李斗星同志在镍基和铁基高温合金中发现了四面体密堆相（在高温合金界称拓扑密堆相，在物理界称Frank-Kasper相）的畴结构。Laves相和μ相中不同相畴间的五角反棱柱（二十面体去掉上下两个五重顶）有相同取向，写了一组3 篇论文投Philosophical Magazine 。到了这年秋天，王大能在叶恒强同志指导下发现了一个新的四面体密堆相—C相，其电子衍射图的中心部份由周期的斑点构成一个二维点列，周围有10个呈五重旋转对称的斑点。随之发现Laves相和μ相的电子衍射图也有此现象。中间的二维点列是晶体衍射的正常现象，周围的10个五重旋转对称的斑点是反常现象，这是实验观察上的一个突破，值得进一步推敲，上升为理性认识。经过认真分析，认为这是这些合金相中的不同相畴（取向差为720）中的五角反棱柱有相同取向的缘故。为了验证这个假想，计算了单个五角反棱柱的傅里叶变换，得出的最外圈的10个呈五重旋转对称光学衍射斑点与实验观察得到的周围的10个电子衍射斑点相重。我们在1984年底写了一篇 “正空间与倒易空间中的五重对称’’ 投寄给Ultramicroscopy ,于1985年刊出。
此外，我们发现由不同四面体密堆相的纳米畴给出的电子衍射图中竟没有显示周期晶体结构的二维周期衍射点列，所有衍射斑点都呈五重旋转对称，因此也是非周期性的。这一现象引起我们很大的兴趣，一些合金熔化后再急冷凝固，会不会得到单个的五角反棱柱呢？为此，最好选一种既与四面体密堆相的成分相近又有生成非晶态倾向的合金 。我就此事与当时正在做非晶态晶化的吴玉琨和黑祖琨同志讨论，并参考一篇Rong Wang (不是我的研究生王蓉)论文，决定一用Ti2Ni及ZrNi合金做这个实验。当时张泽正在做(Ti,V)3Ni晶体结构的硕士学位论文，就由他就汤下面做(Ti，V)2Ni合金急冷凝固的研究，由蒋维吉(我在上海交通大学的研究生)做ZrNi合金急冷凝固的研究。到了1984年底，张泽得到了Ti2Ni的五重旋转非周期电子衍射图，与我们预期相符。蒋维吉也得到了一种五重旋转对称的电子衍射图，但高分辨电子显微像指出它是正交ZrNi 相的五重旋转孪晶。1985年春节期间，张泽去南京探亲，就请他在春节后去上海硅盐研究所做大角度倾转电子衍射实验。就在这个时候（3月13日），我在北京钢铁学院的研究生邹进寄来Shechtman等在1984年11月12日在《物理评论快报》上发表的论文“一种具有长程取向序而无周期对称的金属相”的复制件。这篇文章中的合金是Al-16原子%Mn ，急冷凝固后给出五重、三重、二重电子衍射击图，而这些五重轴、三重轴、二重轴间的角度关系满足二十面体点群235的要求。我及时把这些情况告诉了在上海的张泽，他也得到类似的电子衍射结果。

显然，Shechtamn等与我们做的是同一类实验，他们用的是Al-Mn合金 ，我们用的是Ti-Ni 合金 ，他们发表在前，我们发表在后。事后我才知道，Shechtman在1982年为了发展高强度铝合金，采用急冷凝固的工艺迫使更多的锰固溶在铝中(锰在500oC时在铝中的固溶度仅为0.2原子%)。那时他就得到了五重对称电子衍射图，为此，他请教了冶金学权威J.W.Cahn，得到的答复是这是五重孪晶的复合电子衍射图，Shechtamn没有被说服，继续做细致的电镜实验才在1984肯定它是二十面体准晶。当然，我们的Ni-Ti二十面体准晶是独立的发现，并且也是在发展合金（高温合金）过程中的偶然发现。
值得指出的是，我们发现Ti-Ni 准晶的过程中并没受到五重孪晶这种想法的干扰，因为蒋维吉同时已经得到Zr-Ni五重孪晶，它的高分辨像与张泽得到的Ti-Ni准晶的高分辨像( 经过邹本三同志做过图像处理)不一样。前者显示取向差为720的5个二维周期分布的像点。后者是呈五重旋转对称的非周期分布的像点。我们写了“一种新的具有m35对称的二十面体准晶”和“急冷Ni-Zr合金的十重孪晶”两篇简报在1985年的同一期Philosophical Magazine A中刊出。两相对应，说服力很强，Shechtman 的合作者Cratias称我们的Ti-Ni 准晶为中国相（China） , 并邀请我去参加他在法国组织的第1届国际准晶会议，我在会议是的报告题目是“From Frank-Kasper Phases to Quasicrystal”，说明我们的准晶是研究四面体密堆合金相的直接结果，同时指出准晶与四面体密堆合金相都是由二十面体原子团簇构成的，只不过它们在准晶中呈非周期排列，而在四面体密堆合金相中呈三维周期性排列。后来的工作证明这个观点是正确的。

在准晶取得突破后，我的研究工作就逐渐集中到这个方面来，并且取得一些在国际上有影响的结果。王宁、曹巍等分别在Cr-Ni-Si和Mn-Si合金中首先发现八重旋转对称二维准晶，它们都与β-Mn结构的合金相共存。陈焕等在V-Ni-Si 合金中发现十二重旋转对称准晶与Sigma 相共存。董闯等在Mn-Ni-Si合金中发现二十面体准晶与Laves相共存。何伦雄、李兴中、张泽等首先发现Al-Co-Cu稳定的十重旋转对称二维准晶和一维准晶。张洪等用相位子理论分析了十重旋转对称二维准晶转变为一维准晶和晶体相的晶体学关系，找出这些晶体相的点阵常数的规律。此外，还在Al-Pt族金属(Ru,Os,Rh,Ir)二元合金中发现一些十重对称二维准晶。第二届国际准晶会议得以在1987年夏在北京召开，从一个侧面说明我们的准晶研究得到国际上的承认。
为什么我们能在1985年在金属研究所发现准晶呢? 如上所述，我们是在研究高温合金中的四面体密堆合金相（Laves相，μ相等）时偶然观察到五重旋转对称的。其实这里面也是有必然性的。德国的准晶学家Urtan在1986年见到我时曾说 ：“ 看到你们在1985年发表的那3篇关于五角四面体密堆相的论文中，对畴结构的详尽论述，就会理解为什么你们会发现五重旋转对称和二十面体准晶了。’’那时，发展高温合金正是金属研究所的一个研究热点。为了提高使用温度，措施之一就是增加Ti、 Al、 Mo等合金元素的含量，伴随而来的后果就是容易出现片状Sigma、Laves 等脆化相。这就为我们提供了大量研究材素。国外首先发现的Al-Mn及Al-Li-Cu 准晶也是发展高强超轻铝合的附产物。由此可见生产实践是基础研究的源泉。另外，金属研究所在急冷凝固制造非晶合金方面也有一支队伍及实验手段，为我们的准晶研究提供了方便。

其次，我们无论在理论上还是在实验方面都有储备。我在五十年代初曾研究过Laves相、η碳化物、β-Mn结构、Sigma相等，它们分别是五重对称二十面体准晶、八重对称二维准晶、十二重对称二维准晶的近似晶体相。换句话说，这些合金相中的原子团簇与相应的准晶中的原子团簇相同或类似。我的这些经验的确有助于后来的准晶研究。此外，即使在文化大革命中，我们对合金相理论、晶体的对称理论和电子显微镜技术的学习也从未中断。在文化大革命中，对我的批判也主要是办电子衍射学习班，对抗毛泽东思想学习班。准晶研究需要三个方面知识的结合：合金学、晶体学、电子显微学。我们正好在这三方面都有所储备，因此才能在准晶研究中得心应手，左右逢源。有些人的晶体学理论比我们高明的多，但他们不熟悉电子显微学，对急冷凝固产生的微米级准晶的结构研究束手无策；另外有些人电子显微学的造诣很深，但他们不懂合金学或晶体学，看到五重或八重对称电子衍射击斑点，也不知道怎么去理解它。
最后也是最重要的，我们有一支学术精学风好的科研队伍，我过去赞扬过“清清白白地做人，认认真真地做学问”， 在文化大革命中，这就成为我的罪状，但这种认识并没有批倒，仍是大家遵守的信条。我们这支准晶研究队伍，包括四、五位骨干和十几位研究生，都能兢兢业业地，踏踏实实地做学问，在扎实的实验工作基础上勇于创新，又耐得住寂寞，不急于求成，敢想敢干，而不浮躁，不浮夸。张泽、王大能因发现准晶和五重旋转对称而获第一届吴健雄物理奖，王宁、陈焕因发现八重和十二重旋转对称而获第二届吴健雄物理奖。他们并未因此而骄傲，未敢稍有懈怠。我们的准晶研究也有不顺利的时候，一次接着一次的实验都失败了，还能发扬百折不挠的精神，坚持到最后的胜利。我们这个集体出的论文多，出国深造的机会多，但从未因排名选人而有过什么争议。这是一个团结合作的集体，胜不骄，败不馁，这种好学风是我们成功的保证。

我很幸运，能在八十年代这个关键时期，在金属研究所这个优越的科研环境里，带领一批优秀中青年科研人员冲锋陷阵，占领准晶研究这个制高点。