准晶：奇特而又平凡的晶体—— 2011年诺贝尔化学奖简介

准晶是具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称的固态有序相。它的出现导致了晶体学与凝聚态物质结构理论的一次革命，极大推动了相关学科的完善和发展。其发现者Daniel Shechtman因此获得2011年度诺贝尔化学奖。本文简介了准晶的发现、结构特征和发展现状，同时介绍了中国科学家在这一领域的独特贡献。     

晶体学定律的崩溃

美国物理学家声称,他们已经发现了一种新的物质固态。这种新的物质形态,公然向一切已有的晶体结构定律提出了挑战。这就是具有五次对称的点阵。倘若他们的主张是正确的,那么,这一发现可能会导致找到一种具有奇妙电性能的新材料,并且可能要对固体量子物理学重新作一番审度。打开任何一本晶体学教科书,你都会遇到一个相同的命题:具有五次对称的晶体结构是不可能存在的。其所以如此,这涉及到原子在晶体里的堆砌方式,要使     

对称与晶体学

对称是关于由局部构筑整体时必须遵循的基本法则。事物的美感是由局部与整体之间的和谐和协调来体现的。对称规律在晶体学中得到了淋漓尽致的发挥。在传统晶体学中空间群理论对于现代晶体学中晶体结构的测定仍有指导意义。讨论了准晶体及无公度相的对称特点。探讨了将晶体学中的平面群理论运用于艺术领域中平面构成设计的可能性     

五度轴对称性——固体中的准晶体结构

人们不能用正五边形铺满浴室的地板,相应这一道理,在晶体学上也有一个经典的守则,即在二维或三维空间里,不存在五度旋转对称的晶体结构。但使人感到惊奇的是,最近在美国国家标准局实验室里,舍赫特曼(Dan Shechtman)和他的同事们发现了五度轴对称的点衍射花样,样品是用快速冷却方法制备的具有微米量级晶粒的金属合金。一个显示五度对称的衍射花样,即使它不具有正五边形明锐的布拉格峰的点花样,也足以引起人们的震惊。例如,若衍射花样是一些弥散的环,而在每个环的五个等距离点上出现强度极大值,这就说明有相当新奇的内容,它可理解为具有五度键取向有序而无严格平移周期性的非晶体材料。平移周期性是判别是否晶体的判据,按传统的习惯看法,尖锐的布拉格衍射峰只能由晶体产生,并且很清楚地知道,晶体是不能显示五边形对称性的。     

晶体对称理论三百年

晶体学属于近代科学。尽管在遥远的古代具有规则多面体的矿物晶体就已引起人们的极大兴趣和注意,然而在人类的蒙昧时期瑰丽多彩的晶体却被具有魔力的神话和荒诞不经的迷信所统治。晶体学自17世纪中叶诞生,时至今日已有三百余年的历史。晶体形态学、构造学、生长学、晶体化学、晶体物理学等领域都取得了长足进展。作为晶体学基础的对称理论的进展更令世人刮目相看。本文拟分三个阶段,对三百年间晶体对称理论作一综述,可从前人的科学     

八次对称准晶体的分数维结构

自五次、十次、十二次对称准晶体发现以来,1987年,王宁等在V-Cr-Ni-Si的急冷合金中发现了八次对称准晶体。许多学者研究了八次对称准晶体的电子衍射点的排列规律,并且已提出了几种八次对称Penrose图。现已证明,分数维理论不仅可解释五次对称准晶体结构,而且还可解释八次对称准晶体的结构。本文将讨论八次对称准晶体的分数维结构,并计算了其维数。     

编后记

本期科学家论坛共有五篇文章.第一篇文章是诺贝尔奖获得者李政道先生14年前与毛泽东会见的回忆文章,他认为这次会见在某种意义上揭示了“人寻求自然界对称的迫切愿望同他建立富有意义的平衡社会的强烈要求之间的相互关系.”中国科学院学部委员、北京天文台研究员方励之的《现代宇宙学和中国传统文化》一文是科学家的哲学思考.文章纵古论今,结合现代宇宙学当代发展成果的思想源流探析了中国传统文化思想对科学技术发展的利弊.     

远程二烯的定向迁移驱动钯催化的不对称烯丙基化反应

<正>手性是自然界的基本属性,例如天然存在的糖、蛋白质、核酸等生物活性分子均是手性的.众多药物和天然产物分子也包含手性片段,它们的生理活性往往同其手性特征密切相关.因此,利用催化不对称合成方法高效构建手性分子一直是有机合成化学中广泛关注和深入研究的领域之一.2001和2021年两次诺贝尔化学奖正是表彰在不对称催化合成领域作出杰出贡献的科学家.     

诺贝尔化学奖青睐不对称性——2001年度诺贝尔化学奖揭晓

瑞典当地时间１０月１０日,瑞典皇家科学院宣布,将本年度诺贝尔化学奖授予发展催化性不对称合成的３位科学家,他们分别是美国科学家威廉·诺尔     

催化不对称合成—2001年诺贝尔化学奖简介

2001年诺贝尔化学奖授予了美国化学家沙普利斯教授（占1/2）及诺尔斯博士与日本化学家野依良治教授（合1/2），以表彰他们在发展催化不对称合成的新方法技术及其应用于工业生产研究领域中的开创性贡献，本文对催化不对称合成的基本概念及技术与三位杰出科学家的贡献作了简要的介绍。     

粒子世界

《粒子世界》一文是李政道教授在杰西和约翰·丹兹讲座上的讲演的下半部分(其上半部分《对称和不对称》已发表在本刊上期)。细细研读此文,你定能领略到千变万化,奥妙无穷的粒子世界的奇异景象。李教授把一个个高深的理论物理问题,阐释得通俗易懂,说明他极善于将艰深的理论课题科普化。记得钱学森教授曾提倡科学家不仅能写专业论文,而且还能写科普文章。李政道教授可以说是这方面的一位典范。     

见怪不怪准晶体

有一位科学家发现了一种富有争议的现象，该发现使化学家们不得不重新定义晶体的概念。今年的诺贝尔化学奖由这位科学家获得。1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称’性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。其他研究人员都嘲笑该发现，     

第三种催化剂

催化剂是我们熟知的可以加速化学反应的物质,目前比较常用的催化剂是金属催化剂和酶.近年来,化学家开发出第三种催化剂,即有机催化剂.2021年的诺贝尔化学奖颁给了第三种催化剂应用的倡导者——德国科学家本杰明·利斯特和美国科学家大卫·麦克米伦,他们的突出贡献是推动了不对称有机催化领域的发展.     

征服科学

阿达·E·约纳特(Ada E.Yonath)目前供职于以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所,负责X射线晶体学研究工作,她的涉及核糖体结构和功能的开创性研究,与另外两位科学家一起分享了2009年度诺贝尔化学奖。约纳特1939年出生于耶路撒冷一个贫穷的犹太人家庭,她11岁那年父亲过世,约纳特因此担起了家庭重任,即要赡养母亲,又要照料妹妹。她是以色列第一位获得诺贝尔奖的女性,也是自诺贝尔化学奖颁奖45年以来首位获奖的女性科学家。     

“病毒般”的社交媒体

关于社交媒体的访问量 不知道是我的年龄,还是我的反社会倾向使然,或两者兼有,但我对社交媒体确实感到有点困惑.我承认Facebook、Twitter的重要性,特别对诸如《美国科学家》这类媒体.我以前仅仅是勉强加入其中.坦白地说,我曾经"喜欢"过《美国科学家》的页面,但这是第一次,也是最后一次,并对2012年11月至12月出版的该杂志封面在Facebook的访问情况感到震惊,没想到有如此大的影响,也许原因在于我的上述心理吧.     

杰罗姆·卡尔勒(1918-2013)

<正>杰罗姆·卡尔勒(Jerome Karle)在晶体学相位问题研究方面做出了巨大贡献,并因此在1985年获得了诺贝尔化学奖。2013年6月6日,他在美国弗吉尼亚州安嫩代尔去世。他卓越的物理洞察力和数学功力使他从同时代最优秀的科学家中脱颖而出。杰罗姆1918年6月18日在纽约州布鲁克林     

动物身体的"左右之谜"

从外表看,动物身体的左右两边是对称的,然而事实上,在动物表皮的下面隐藏着实质上的不对称,你的心、脾和胃在身体的左边,肝和胆囊偏向右边,你的右肺有三片肺叶,而左肺则只有两片。在绝大多数情况下,动物身体中的左右器官都能各就其位,胚胎似乎在很早的时候就知道左右的分别了,但偶然也会出点错,大约每8500个人中会有一人的体内器官是错位的,比如脾脏跑到了右边,而不是通常的左边,在一般情况下,这并不会造成太大的麻烦。科学家一直在探究动物的胚胎究竟怎样识别左右,以及它们是从什么时候开始出现左右之别的。大约五年前,生物学家们在研究老…     

准晶

准晶(Quasicrystal)是准周期性晶体(Quasiperiodic crystal)的简称。晶体中原子的排列呈三维周期性的关系,可以用一种单胞在空间中的无限重复来描述。因此,晶体的平移对称可以用14种Bravais空间点阵概括.受此制约,晶体只能有1、2、3、4、6次旋转对称,5次和6次以上的旋转对称都是不允许的。这是很明显的,五角形的平移不能布满一个平面。准晶中的原子分布也有长程序,但是它的位置序无周期性,因此可以有5次或其他的“不允     

对称和不对称

《对称和不对称》一文是李政道教授应邀在杰西和约翰·丹兹讲座上的讲演稿的上半部分。就对称和不对称现象,作者用极其生动的语言和发生在我们身边的实例,精辟地阐释了物理学中很深的概念,如对称性原理、CPT定理以及物理学中不对称与真空自发破缺的可能关系等。即便一些非物理专业的读者,估计也能读懂,此实乃可贵。     

奇偶高次谐波光谱学研究进展

不对称分子由于对称破缺在强激光场中会辐射奇次和偶次谐波.研究表明,奇偶谐波辐射在频域上具有显著不同的特性.通过建立奇偶谐波辐射理论模型,进一步的研究指出,奇偶谐波携带着系统的不同信息,可通过提取奇偶谐波各自的特征信息,整合反演出系统的全部信息.上述奇偶分辨的高次谐波光谱学研究思路和相关理论模型已被广泛地应用于不对称分子的超快探测过程中,例如,可以用于重构不对称分子轨道,探测极性分子核的动力学,标定不对称分子取向度,探测多中心分子结构等;还可以用于探测不对称分子的形状共振和电荷输运等.奇偶高次谐波光谱学的研究与发展对推动谐波辐射在阿秒科学和化学反应中的应用发挥着积极作用.