郭可信（1923-2006）

　　本文作者是我国已故的材料科学家、中国科学院院士、瑞典皇家工程科学院外籍院士、瑞典皇家理工学院技术科学荣誉博士郭可信先生。郭可信先生1923年出生于北京，祖藉福州。1946年毕业于浙江大学化工系，长期从事冶金、晶体学、材料物理的研究工作，1947年赴瑞典进行合金钢中碳化物及金属间化合物的研究，1956年回国后，曾任中国科学院金属研究所研究员、沈阳分院院长，北京电子显微镜开放实验室主任，中国电子显微学会理事长等职。郭可信先生是我国准晶研究的创始人之一，在准晶的发现和研究、合金钢中碳化物的研究以及材料的电子显微学研究等方面做出了突出贡献。他指导的研究生在一些合金相中获得了五重旋转对称电子衍射图，进而在急速凝固的钛镍钒合金相中发现二十面体准晶，并首次发现八重旋转对称和一维准晶，这些工作扩大了准晶相出现的合金范围和拓宽了准晶的对称性类型。郭可信先生为我国培养了一百多位研究生。他曾获国家自然科学一等奖、第三世界科学院物理奖、何梁何利基金科学技术进步奖。

　　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，还使用过当时比较新颖的电子显微镜。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略微畸变了的二十面体原子集团。二十面体是由20个正三角面围成的凸正多面体，5个正三角面围出一个正五重顶，通过每一对相对着的五重顶有一个五重旋转轴。二十面体中只有较小的四面体空隙，因此由二十面体原子集团构筑成的合金相也称为四面体密堆相。

　　

郭可信在瑞典

　　在1983年我与叶恒强和李斗星同志合作在镍基和铁基高温合金中发现了一些新的四面体密堆相，研究生王大能在它们的电子行射图中观察到具有周期性的二维衍射斑点列，周围有10个呈五重旋转对称的强斑点。中间的二维点列是晶体的正常衍射现象，反映这个合金相的周期性特征，周围的10个五重旋转对称的斑点是“反常现象”，显示其中原子集团的非周期性特征。这是实验观察上的一个突破，值得进一步推敲，把感性认识上升为理性认识。经过认真分析，我们认为这是由于这些合金相中的二十面体原子集团有相同取向的缘故，为了验证这个假想，计算了单个二十面体原子集团的傅里叶交换，得出的最外圈的10个呈五重旋转对称的光学衍射斑点与实验观察得到的10个电子衍射斑点相重。

　　

郭可信（左一）与杨奇斌（左二）、叶恒强（左三）讨论工作

　　此外我们还发现，当四面体密堆相的畴结构小到纳米尺寸时，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，因此它们的分布也是非周期性的。这一现象引起我们极大的兴趣。将这些合金相化后再急冷凝固，会不会得到单个的二十面体原子集团呢？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倾向的合金，文献中有Ti₂Mi、NiMo、HiNb、NiZr生成非晶的倾向比较强的报道，我当即决定选用这些合金做这个实验。研究生张泽当时正在做（Ti，V）₃Ni长周期结构的硕士学位论文，由他做（Ti，V）₂Ni合金急冷凝固的研究，另一位研究生做NiZr等合金急冷凝固的研究。到了1984年底，张泽先后得到（Ti_0.9V_0.1）Ni及Ti₂Ni的五重旋转非周期电子衍射图，与我们预期相符。同时还在急冷NiZr合金中也得到了五重旋转对称的电子行射图，但高分辨电子显微像指出它是正交NiZr相的五重旋转孪晶。1985年初张泽做大角度倾转电子衍射实验，除了五重对称电子行射图外，还得到了三重及二重对称电子行射图，这些旋转轴之间的夹角关系符合二十面体对称。就在这个时候我们看到 Shechtman等在1984年11月12日在《物理评论快报》上发表的“一种具有长程取向序而无周期对称性的全属相”的论文，急冷凝固后的Al－Mn合金给出五重、三重、二重电子行射图。稍后，这种金属相就被命名为准晶体（Quasiperiodic Crystal），简称准晶（Quasicrystal）。

　　显然， Shechtman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－V－Ni合金。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500℃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，他请教了一位冶金学权威，得到的答复是这是五重孪晶的复合电子衍射图。Shechtman没有被说服，继续做细致的电镜实验才在1984年肯定它是二十面体准晶。当然，我们的Ti－V－Ni二十面体准晶是独立的发现，并且是首次在Ti合金中发现的。

　　值得指出的是，我们发现Ti－V－Ni准晶的过程中并没受到五重孪晶这种想法的干扰，因为NiZr五重孪晶的高分像电子显微与张泽得到的Ti－V－Ni准晶的高分电子显微像不一样。前者显示取向差为72度的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对称的二十面体相”和“急冷NiZr合金的十重孪晶”两篇短文同时发表。两相对应，说服力很强。Shechtman的合作者 Gratias称我们的Ti－V－Ni准晶为“中国相”（China Phase），并邀请我去参加他在1986年在法国组织的第一届国际准晶会议，我的报告题目是“From Frank－Kasper Phases to Quasicrystal”（凝聚态物理学界称四面体密堆相为Frank－Kasper相），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集团构成的，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。我们的“五次对称性及Ti－Ni准晶相的发现与研究”在1987年获国家自然科学一等奖。

　　为什么我们能在1985年在金属研究所发现五次旋转对称和准晶呢？我们是在研究高温合金中的四面体密堆合金相时偶然观察到五重旋转对称电子衍射斑点的，但其中有其必然性。德国的准晶学家Urban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Ni、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丰富的研究素材。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金的附产物，由此可见生产实践是基础研究的源泉。

　　其次，我们无论在理论上还是在实验方面都有所储备。我在五十年代初曾研究过 Laves相及η₂-（Ti，Ta）₄Ni₂C（与Ti₂Ni有相同的结构）等具有众多二十面体原子集团的四面体密堆相，对这些合金相的合金化学和晶体结构的了解有助于后来的准晶研究。此外，我们一直关注电子显微学的发展，在1982年引进一台原子分辨级的电镜。准晶研究需要三方面知识的结合，即合金学、晶体学、电子显微学。我们正好在这三方面都有所储备，因此才能在早期的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，但是他们不熟悉电子显微学，对急冷凝固产生的微米尺度的准晶结构研究束手无策。另外，有些人的电子显微学造诣很深，但是他们不熟悉晶体学，在我们之前就看到五重对称电子衍射斑点，却不知道怎么去理解它，看来专与博的统一是很有必要的。

　　

郭可信（左四）和学生合影

　　最后也是最重要的，我们有一支学风好、学术精的科研队伍，包括四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，敢想敢干而又不急躁浮夸，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准晶而获第二届吴健雄物理奖。他们并未因此而骄傲，得奖后也未敢稍有懈怠。我们的准晶研究也有不顺利的时候，即使一次接着一次的实验都失败了，还能发扬百折不挠的精神，坚持到最后并得到预期的结果。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。