现代科学的“幕后英雄”

——结晶学百年史话

2014.03.31来源： 科技日报     作者： 记者 刘霞

　　联合国教科文组织宣布，2014年为“国际结晶学年”，全球各地将会举办一系列庆祝和科普活动。为什么给予结晶学如此隆重的对待呢？原因很简单，因为它已经彻底改变了人类生活的方方面面，只不过，人们对隐身于现代科学背后的这个“幕后英雄”知之甚少。现在，到了她走到聚光灯下，接受瞩目和祝福的时刻了。

　　1895年，德国物理学家威廉·伦琴发现了X射线。由于X射线不受电场和磁场的影响，所以被认为可能是一种波长极短的电磁波。随后，1912年，德国物理学家马克思·冯·劳厄成功地对晶体进行了衍射实验，证实了伦琴的假设，同时也证实了晶体中原子是有规则排列的假设。1913年，威廉·布拉格和劳伦斯·布拉格父子也对晶体进行了衍射实验。冯·劳厄因为发现了晶体的X射线衍射现象而荣膺1914年诺贝尔物理学奖，这是固体物理学中具有里程碑意义的发现，也标志着现代结晶学的诞生。

　　虽然我们并没有意识到这一点，但这的确是事实：结晶学是我们在庸常生活中熟视无睹的很多科技进步的基础。

　　普通一天生活中的结晶学

　　美国趣味科学网站在2月7日报道中，为我们描述了一名结晶学家普通的一天，我们或许可以从中管窥结晶学对我们生活的影响。

　　“闹钟在早上6:45准时响起，起床后，我一边喝咖啡，一边在手机上查阅电子邮件。吃完早餐刷完牙后，我驾车去上班。我在一所大学工作，最近有很多高楼拔地而起。驾车让我感觉头晕，因此，我在办公室服用了两片扑热息痛，接着，开始工作。”

　　文章作者在报道中指出：闹钟、电动牙刷和很多电子设备所用的电池都含有一种复杂的晶体材料，主要目的是输送电流。目前，有很多科学家在研究和设计这种材料，其中处于核心的就是结晶学，科学家们借用这一技术来厘清电池内锂离子导体的工作原理并提升其性能。

　　另外，房子和一座座拔地而起的办公大楼都由水泥建造而成，对我们来说，这是一件理所当然的事情，但其实，制造水泥是一个非常复杂的化学反应。制造水泥并改进其性能在很大程度上要仰仗结晶学的帮助，科学家们需要使用X射线来弄清楚水泥组成成分的变化如何导致原子结构的变化，因为原子结构是水泥强度和硬度的基础。

　　而且，汽车内用到的轻量但坚固耐用的合金也需要用结晶学进行分析。借用这一技术，我们能将冷却得恰到好处的样本与采用错误方式进行冷却的样本区别开来，因为后者更有可能破裂。人们也使用结晶学来研究材料内承受的压力并设计更好的耐压零件。没有结晶学，目前在我们的汽车和飞机上广泛使用的各种轻量元件或许都不会出现。

　　还有，如果没有结晶学的话，包括手机和平板电脑在内的各种微电子设备或许也都不会存在。其内复杂的半导体包含有由不同材料组成的层，不同材料之间的结构还必须相互匹配，而这些，都需要结晶学的帮助。

　　而我们因为头疼服用的药物扑热息痛又是怎样一种情况呢？结晶学对于制药工业的影响也非常巨大：它是决定新药结构的黄金标准。一旦人们了解了药品的结构，就会对药物影响身体的情况了如指掌。更重要的是，结晶学也能被用来知悉所用药物的纯度：每种化合物发射出的X射线都拥有独特的“印记”，如果某种药物的X射线衍射图中包含有其他特征，那么，我们可以断定，这种药物已被掺杂了其他东西。有鉴于此，结晶学在研制出安全、有效的药品方面可谓功不可没。

　　结晶学塑造了我们身处的现代社会

　　除了上面提到的具体的物品和领域，其实，从某种程度上来说，几乎任何固体设备或应用的设计或者改进或多或少都与结晶学有着千丝万缕的联系，它已经塑造了我们身处现代社会的面貌，其影响之大，难以赘述。

　　结晶学是一项对人类生活中的多项发现发明都产生了巨大推动作用的核心科学：从1912年冯·劳厄首次成功地对晶体进行衍射实验，证实了晶体中原子是有规则排列的假设，到1953年沃森和克里克通过X射线衍射方法得到了DNA分子的双螺旋结构，再到目前科学家们对于复杂蛋白质和用于存储氢气或捕获二氧化碳的材料的研究，等等，都离不开结晶学的“倩影”。

　　而且，结晶学也不仅仅只在地球上发挥其重要的影响力。2013年9月，美国航空航天局（NASA）的科学家在印第安纳大学的大卫·比什的领导下，发表了火星的矿物学报告：他们通过结晶学，对火星上的岩石进行了分析，证实了科学家们以前的猜测，火星上确实出现过水。

　　2014年，全球各地将会举办一系列科学展览来庆祝结晶学的百岁诞辰，这名“幕后英雄”其实就是人类的守护神，没有它，现代生活可能并没有现在这般舒适惬意。