人類對晶體的認(rèn)識，就源于對美的一種追求。我們被光彩奪目的天然礦石吸引，而它們則被做成各種藝術(shù)品供人細(xì)細(xì)品味與把玩。然而純靠肉眼，人類只能見其表卻無法領(lǐng)略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)那極致的美——但晶體化學(xué)卻能。

對稱之美是美學(xué)研究中永恒的主題，無論是別致典雅的中國古典建筑還是美輪美奐的藝術(shù)品都完美詮釋了對稱之美。當(dāng)然，這種對稱性還普遍存在于自然界，也很早就被細(xì)心的人類發(fā)現(xiàn)。

生活中的對稱之美

早在1611年，天文學(xué)家開普勒就發(fā)出了這樣的疑問。為什么天上不飄落五角和七角形雪花，大自然又為何對六角形雪花情有獨(dú)鐘？

這問題看似簡單，但卻經(jīng)歷了兩百年才由法國結(jié)晶學(xué)家布拉維解決，陌生而奇妙的晶體世界大門也隨之打開。更令人驚奇的是，對稱之美竟然在肉眼無法直接觀察到的晶體微觀世界也普遍存在。

呈六邊形的對稱雪花

說到晶體的對稱性，首先要從晶體概念的發(fā)展講起。早在古代時(shí)期，石英這種具有規(guī)則多面體幾何外形的礦石就被廣泛用于珠寶制作和硬石雕刻。

那時(shí)人們錯(cuò)誤地認(rèn)為透明的石英晶體是由過冷的冰形成的，因此將其命名為“Krystallos”，希臘文中這個(gè)詞的原意是“潔凈的冰”，晶體的現(xiàn)代名稱“Crystal”正是起源于該詞。

后來到了中世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)許多天然礦石晶體都有著特殊的幾何外形。它們大都棱角分明，具有玻璃光澤，并且包含多種多樣的形狀，立方體、柱體以及錐體在晶體中最為常見，因而在研究許多礦物晶體后人們逐漸形成了一個(gè)初步概念：晶體是具有規(guī)則多面體幾何外形的固體。

石英、橄欖石和坦桑石的礦物晶體

除了直觀的外形上的特點(diǎn)，人們還發(fā)現(xiàn)晶體具有許多獨(dú)特的理化性質(zhì)，例如確定的熔點(diǎn)、均勻性、各向異性、自范性等。當(dāng)然，晶體還有更重要的也正是本文即將介紹的對稱性。

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”是化學(xué)中普遍存在的規(guī)律之一，晶體所表現(xiàn)出的性質(zhì)讓人們逐漸意識到只有深入了解其微觀結(jié)構(gòu)才能合理解釋這些現(xiàn)象。

然而，肉眼雖可以清楚地觀察宏觀物體及其性質(zhì)，但對于更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)就顯得無能為力了。為探測晶體的微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們付出了巨大努力，而讓人意想不到的是最終揭開晶體微觀結(jié)構(gòu)“神秘面紗”的技術(shù)在生活中竟然十分常見。

體檢時(shí)，醫(yī)院的放射科會利用“胸透”對我們的心肺功能進(jìn)行檢查，采用的技術(shù)其實(shí)是1895年由德國物理學(xué)家倫琴（W.C. R?ntgen）發(fā)現(xiàn)的X射線，他也因此榮獲1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎。

X射線發(fā)現(xiàn)后不久就被廣泛用于醫(yī)學(xué)影像，對醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)生重大影響，更影響了后來許多重大科學(xué)成就的出現(xiàn)，其中就包括X射線衍射法對晶體微觀結(jié)構(gòu)的探測以及新學(xué)科——X射線晶體學(xué)的誕生。

X射線下倫琴夫人的手骨與戒指

X射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用使得晶體研究從最初的“晶體形態(tài)學(xué)”進(jìn)一步發(fā)展到晶體結(jié)構(gòu)學(xué)，微觀對稱理論也日趨成熟。近幾十年來，大量晶體的結(jié)構(gòu)被解析出來，并在此基礎(chǔ)上逐步發(fā)展建立起了研究晶體成分和晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)科——晶體化學(xué)。

而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高分辨率透射電子顯微鏡已能直接觀察晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這時(shí)人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，粗糙的礦石看來毫無美感，但它們的晶體經(jīng)過放大后，無論在宏觀結(jié)構(gòu)還是微觀結(jié)構(gòu)中都呈現(xiàn)出高度的對稱之美。

高分辨率透射電子顯微鏡下的晶體的結(jié)構(gòu)

直觀來說，如果一個(gè)物體包含若干等同部分，就可以說它具有一定的對稱性，顯然這種簡單的描述方式缺乏科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。為了更深入理解晶體的對稱性，我們有必要對個(gè)別概念進(jìn)行簡單了解。討論對稱性時(shí)經(jīng)常會提到兩個(gè)概念：對稱操作和對稱元素。

所謂對稱操作，指的是不改變物體內(nèi)部任何兩點(diǎn)間距離而使物體復(fù)原的操作；而對稱操作所依賴的幾何要素（點(diǎn)、線、面）則稱為對稱元素。不難理解，對稱操作和對稱元素是兩個(gè)相互聯(lián)系的不同概念，對稱操作需要借助于對稱元素來實(shí)現(xiàn)，而一個(gè)對稱元素可以對應(yīng)著一個(gè)或多個(gè)對稱操作。

分子的常見四種對稱元素

晶體的宏觀對稱元素有四類：旋轉(zhuǎn)軸、鏡面、對稱中心和映軸，這四類對稱元素將晶體的宏觀對稱之美詮釋得淋漓盡致，但神奇的“造物主”還給我們留下了更大的驚喜：除了上述四類宏觀對稱元素，點(diǎn)陣、螺旋軸和滑移面這三個(gè)對稱元素則帶來了更加震撼的微觀結(jié)構(gòu)對稱性。

值得一提的是，德國礦物學(xué)家魏斯早在1809年就根據(jù)對晶體的面角測量數(shù)據(jù)進(jìn)行晶體投影和理想形態(tài)的繪制等，確定了晶體形態(tài)的對稱定律，只可能有1、2、3、4和6次旋轉(zhuǎn)對稱軸，而不可能有5次和高于6次的旋轉(zhuǎn)對稱軸，這就是著名的軸次定理。

晶體對稱理論誕生近兩個(gè)世紀(jì)以來，一直排斥5 次或6 次以上對稱軸存在的可能性，但軸次定理真的沒有例外嗎？

1984年，以色列材料科學(xué)家謝赫特曼（Dan Shechtman）在快速冷卻的鋁錳合金中發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬相，其電子衍射斑具有明顯的五次軸對稱性。這一發(fā)現(xiàn)震驚了整個(gè)科學(xué)界，猛烈沖擊了傳統(tǒng)的經(jīng)典對稱理論。

新理論從提出到接受往往需要面臨巨大的質(zhì)疑，當(dāng)時(shí)幾乎沒有人相信謝赫特曼的發(fā)現(xiàn)，就連當(dāng)時(shí)公認(rèn)的權(quán)威化學(xué)家鮑林（Linus Pauling）都公開嘲諷道：“沒有偽晶體，只有偽科學(xué)家。”

隨后，在不同國家科學(xué)家的不懈努力下，五次軸對稱性在其他合金相中也相繼被觀察到，人們才逐漸確認(rèn)并接受謝赫特曼的研究結(jié)果。

至此，五次對稱軸作為20世紀(jì)80年代的重大發(fā)現(xiàn)被載入科學(xué)史冊。現(xiàn)代準(zhǔn)晶體科學(xué)也破土而出，并很快發(fā)展成為一門獨(dú)立的準(zhǔn)晶體學(xué)分支學(xué)科。飽受質(zhì)疑的謝赫特曼最終迎來春天，憑借發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體他一人獨(dú)攬了2011年諾貝爾化學(xué)獎。

具有5、8、10、12次軸對稱的準(zhǔn)晶物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)突破了經(jīng)典的晶體對稱定律，但其意義遠(yuǎn)不僅于此。首先，準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)突破了原有晶體學(xué)理論中晶系、點(diǎn)群和單形的范圍，從而大大豐富了晶體學(xué)理論的寶庫；

其次，準(zhǔn)晶態(tài)物質(zhì)是傳統(tǒng)固態(tài)晶體物質(zhì)與玻璃態(tài)物質(zhì)中間的過渡態(tài)新物質(zhì)，因而準(zhǔn)晶態(tài)物質(zhì)具有許多獨(dú)特的理化性質(zhì)，未來準(zhǔn)晶態(tài)物質(zhì)與其他物質(zhì)不同的特性將被得到開發(fā)利用，從這個(gè)角度來說，準(zhǔn)晶體學(xué)研究的重要成果無疑會把金屬學(xué)、材料科學(xué)的研究推進(jìn)到了嶄新的階段，對整個(gè)自然科學(xué)都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

人類對晶體的最初認(rèn)識或許是從采集石器時(shí)發(fā)現(xiàn)外形規(guī)則或光彩奪目的天然礦物開始的，進(jìn)而把它們作為玩物和飾物。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對晶體的認(rèn)識也不斷深入，更發(fā)現(xiàn)了晶體在宏觀和微觀上無與倫比的對稱之美，然而神秘的晶體化學(xué)世界真的已經(jīng)完全被人類熟知了嗎？答案我想是否定的。未來晶體化學(xué)也許還會開出絢麗的花朵，再次結(jié)出奇異的科學(xué)之果，進(jìn)而從整個(gè)物質(zhì)世界中開拓出許多自然科學(xué)的新研究領(lǐng)域，就讓我們拭目以待。