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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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把“牛粪变成宝石”的科学家

2012-08-23 09:52:28

   “宝石”与“牛粪”,是两种不可比的物质。说到宝石,人们常会用“价值连城”的字眼来形容它;而牛粪呢,一般只用来做肥料而已。可祖籍在浙江的美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士毛河光,却能用世界顶尖的高压技术将“牛粪变成宝石”。

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——记美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士毛河光

□徐忠友

一个有点“奇怪”的学生

    1941 年,毛河光在上海市降生。当时正处在抗日战争时期,他的家曾搬过很多地方,从上小学开始他就因战争经历了一段颠沛流离的生活。由于经常搬家,导致他经常换学校、换老师、换同学,一切都变得混乱不堪,学习也就没有了头绪,也令他的个性发生了一定的变化,所以他非常痛恨战争。

    在度过飘泊不定的小学阶段后,毛河光考进了中学。平时他表现出来的一些“怪异”行为,被一些老师和同学视为怪学生。他爱好数理化,积极参加数理化兴趣小组活动,还多次在竞赛中获奖。但他又不偏科,语文成绩也不错,写的作文还被语文老师拿到班上当范文读。他非常喜欢做物理、化学的实验,但在做实验时,他实验的方法常常是不按书本上或老师教授的方法去做,而是自己另搞一套。他的实验常常会做失败,但有时又能搞出点小发明,弄出点小成果,使得老师批评不是、表扬也不是。他平时不太爱与同学说话,很喜欢独立思考,上课回答问题时,他常能讲出学习上的新话题来,有些术语和观点让老师也一时感到难辨真伪。他读书从不死记硬背,而是开动脑筋,寻找一种新方法。在解数学题时,他使用的方法不一定采用课本上的公式,而是自己想出一种新的解法。平时做作业,他都不用草稿纸,总喜欢在作业本上涂涂抹抹,连考试时也是如此。有很多次,老师改到他的作业和试卷时常常头痛,有位数学老师曾无奈地对他说:“毛河光同学,我教书这么多年,教过学生无数,还没教过你这样‘奇怪’的学生。你有自己的想法,使用公式和计算过程跟书上和我教的方法完全不同,但演算的结果又是对的,你让我怎么打分?”他字写得实在潦草,老师在改试卷时,都会因他卷面字迹潦草要扣掉他一些分,但他的成绩仍名列前茅。

    毛河光虽然每次考试的分数都不是班上最高的,但这并不妨碍他考上名牌大学。1963 年,他大学毕业后赴美国留学,又考进了美国名校罗泽斯特大学地球物理系学习。美国的教育是崇尚让学生自我创造、自由发挥的。在留学期间,他的潜质较好地得到了发挥,一些论文正因为有自己的思想和方法,得到了导师的好评,并在美国一些著名刊物上发表。正因为毛河光的勤奋好学,1968 年,他顺利获得了美国罗泽斯特大学地球物理系博士学位。

把牛粪变成宝石的“怪才研究员”

    完成学业后,毛河光成为美国卡耐基研究院地球物理实验室研究员,从事新兴高压技术研究。1976年,经毛河光和另一位科研人员改进的金刚石压腔(DAC) 可达到100GPa lMbar),两年后又提高到173GPa,这已相当于地球外核的压力。除了在高压技术(包括最高压力的获得和各种测量技术)居世界领先地位外,他在超高压研究方面也取得了领先的成就,即确定了氧化镁—氧化铁—二氧化硅系统在下地幔的温度、压力条件下的矿物的相关性;观测到了二价铁在高温下的歧化反应,以及铁、镁的强烈分异现象等。这些发现对于了解地幔的性质、起源及演化过程都有十分重要的意义。尤其是1986 年,他和徐济安等同事共同创造了550 Gpa 的世界最高静压力的新纪录,这已经超过了370 Gpa 的地心压力,相当于土星、木星等大行星内层的压力。1988 年,他们在250Gpa 以上超高压下进行了氢的金属化的研究,观察到氢变成黑色后不透明,同时喇曼谱有增强现象,这可能是氢金属化的象征,也可能是更重要的新的物理现象。这一重大发现引起了世界上著名物理学家和天体物理学家的高度重视。在1989 年举行的第十二届国际高压科学与技术学术会议上,毛河光荣获国际高压界的最高奖——布里季曼奖。1993年,毛河光当选美国科学院院士,还担任了美国卡内基研究院地球物理实验室高压实验室主任。几十年来,毛河光曾在国际和美国权威的报刊上发表了数百篇学术论文,在高压科研领域做出了杰出贡献。

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    那么毛河光是如何将“牛粪变成宝石”的呢?原来在高压的环境下,一些常态的东西性质会发生意想不到的变化。如高压状态下的石墨可以变成金刚石、金属会变成玻璃、水会改变状态……毛河光正是在研究物质在高压状态下的物理变化方面取得了一系列非常重要的成果。他研究物质在高压下的晶体结构、晶格动力学和物理性质,从而进一步揭示了许多在常规条件下前所未有的新奇高压结构、高压现象和高压效应。

    在这一研究的理论基础上,他把实验的对象选择为千万年来人们一直视为顶尖宝贝的钻石。天然的钻石产自地表下120~200 千米的地壳软流圈内的角砾云母橄榄岩中,是一种超美铁的火成岩,主要矿物是橄榄石和金云母,在高温高压的状态下经上千万年甚至是数亿年才能形成,最后随着地壳变动特别是火山爆发被冲至地表。目前,全世界产钻石的仅有印度、巴西、南非、中国、俄罗斯、澳大利亚等少数国家,所以钻石的价格不菲。前几年,毛河光和他的同事及学生耗费百万美元,研究出一种用“化学气相法”来“养”钻石的秘方,能让天然钻石的表面不断“生长”出新的钻石来,一个小时内就能长出300 微米,与有些人“养”钻石个月才能长毫米,其速度已快多了。随着这项技术的不断成熟,毛河光实验室现在已“养”出高品质的白色钻石,与天然钻石没有多少差别。

    2005 月,毛河光与赫姆利博士利用高压技术“让钻石快速长大”的专利方法制成一颗10 克拉无色透明的CVD 钻石,在日本举办的第十届国际新钻石科技会议上公开展出,一下就轰动了国际学术界和珠宝界。随后,他们又在美国举行的实用钻石会议上展出了那颗10 克拉无色透明的CVD 钻石,并发表了题为《大钻石生产快》的论文,一下震惊了世界。美国《世界日报》等许多媒体立即进行大幅报道,称赞这是国际珠宝界一项划时代的突破。全球知名的宝石分级、鉴定机构派出高级工程师与他联系,希望能学习这种新钻石的鉴定方法,连收藏最著名温斯顿钻“希望之钻”的华盛顿斯密森协会矿物主管波斯特,也主动到毛河光的实验室取经。

    对此,毛河光做出如下预言:“20 世纪最重要的发明是计算机,21 世纪最重要的发明是会长大的钻石,所以21 世纪是钻石的年代!过去,天然的钻石由于数量少而价格昂贵,随着人工钻石的大量生产,钻石在珠宝中的‘帝位’将大大下降,今后价格便宜的人造钻石将走进寻常百姓家。更重要的是钻石不再仅仅用作装饰品,它将取代硅在半导体中的作用,其效果比硅要好1000 倍,‘硅谷’最终将变为‘钻石谷’。如用钻石取代半导体中的硅,电脑的效率还将成倍增长;钻石的硬度最高,是很好的导热及切削和研磨工具,未来可以在医疗及电子组件上发挥很大作用,这必将促使人类科技进入一个新的时代。”

摘取世界高压领域诺贝尔奖的“高压大师”

    2005 日是值得毛河光铭记的日子。这一天,瑞典皇家科学院隆重举行颁奖大会。会上,瑞典皇家科学学会把以著名结晶学家葛里高日·阿米诺夫名字命名的“阿米诺夫结晶学大奖”,授予这位黄皮肤的美籍华人。这一大奖是瑞典皇家科学院为奖励结晶学领域杰出科学家而设立的,因而被称为“世界高压领域的诺贝尔奖”,有些科学家获此奖后不久,便荣获真正的“诺贝尔奖”。

    瑞典皇家科学院在介绍获奖者的公告中高度评价毛河光:“毛河光是全世界处于领导地位的高压科学家。他利用Mao-Bell 金刚石对顶压钻产生的静态高压,利用同步辐射光和中子源等等高压微区测量方法,研究物质在高压下的晶体结构、晶格动力学和物理性质。晶体的离子半径强烈依赖于压力,这将导致所有化合物的原子配位和晶体结构,在高压下发生激烈的变化。他揭示出许多常规条件下前所未闻的新奇高压结构、高压现象和高压效应,一个高压结晶学周期表正在形成之中。他说,高压对物质科学的作用绝不亚于温度和化学组分的作用,高压研究正处在令人激动和富有成果的新的机遇期,它是科技创新的一个新的源泉。”

    毛河光获奖后,瑞典皇家科学院为祝贺他获得这项殊荣,专门举办了为时两天的“固体材料的超高压高温研究学术会议”,请他作了题为《“高压——物质科学中的一个新维度》的演讲,受到了与会世界著名专家学者的一致好评。

    2005 10 月,毛河光又获得美国物理学会、矿物学会和地球物理学会的最高荣誉奖,还先后荣获国际高压与科学与技术学会的Bridgman 金奖和美国科学院Arthur L. Day 奖。

    作为一个美籍华人,毛河光也非常关心祖国和故乡的科技教育事业的发展,在20 多年间,他先后次回到祖国,在中科院物理所、地化所等有关科研院所和故乡的浙江大学等高等院校讲学,讲授他在高压领域的新发现、新技术、新成果,并设立奖学金资助家乡的教育事业。其中,我国金刚石压腔(DAC)超高压的研究工作,就是在毛河光的指导下从无到有、从小到大发展起来的。他通过讲学和演示,向国内有关科研单位和人员传授了(DAC)技术的理论、实验和研究方法,并赠送了当时国内还没有的各种实验用品。在他的推动和帮助下,我国得以在地幔矿物学、高压物理、高压相变、高压衍射(包括高压同步辐射)、高压喇曼光谱、高压红外光谱和超硬材料等方面在国际上占有了一席之地。鉴于毛河光的杰出科研成就和对祖国科技事业的贡献,1996 日,中国科学院聘请他为外籍院士。2002 年,中国政府授予他国家“友谊奖”,多家媒体称他为“可敬的海外赤子”。



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