ferroelectrics go banana现象.doc

一根香蕉引发的思考香蕉也能测出铁电回线吗？这听起来似乎有点儿天方夜谭。当我告诉你这并不是恶作剧，而是在正规学术期刊上发表的论文，是不是听起来更匪夷所思了？先别急，鉴于有很多人可能对铁电这个词儿有些陌生，简单解释一下。铁电性是材料科学里面的一个常见的概念，它是指某些绝缘体材料中在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性。那么什么又是自发极化呢？简言之，如果晶体的单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成偶极矩，就会呈现出极性。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。看到这儿，没学过材料或者物理相关专业的读者可能有些头大了，但是没关系，如果实在不懂 ，您也可以略过不看，或者也可以哈哈大笑，故作觉得很有趣的样子。这个故事是这样的，2008年初英国剑桥大学的Scott教授在JPCM上发表了一篇论文，表明对香蕉进行铁电测量居然可以得到非常逼真的铁电回线。然而即使稍微有点材料科学常识的人都知道：香蕉不可能有铁电性，假设香蕉是真的的话。我想，到这里，读者们可能已经有一大堆问题了。例如，大学教授是不是都闲的找抽？Scott为什么要测香蕉，而不测橘子？他测试使用的香蕉被吃掉了吗？当然，比较靠谱一点的问题是既然香蕉没有铁电性，为什么能测出电滞回线（铁电回线也称为电滞回线）呢？这些问题我们稍后再做回答。现在，我们要阐明这篇文章要讨论的内容即我们科学实验的测试的结果是否都是真实可信的，抑或在多大程度上是可以相信的？当然，囿于本人的学识限制，讨论主要集中在材料科学的范围内。客观地说，这的确是个复杂的问题，因为它不仅仅复杂在科学上。现代科学是一个综合过程，让我们从起点开始试剂。当然，有别于拉瓦锡的时代，现在几乎没有科学工作者自己提纯或者制备原始化学药品了，大家都是买来的。天真的我们往往忽略了这样一点：在诚信体制尚不健全和实验试剂稳定性尚不保证的情况下，这是第一个也是至关重要的影响我们实验测试结果的因素。近些年国内被曝光的各种假试剂案子层出不穷。科学网曾报道了这样一个故事，2008年，在北大生物医学工程系席建忠研究员的实验室里，出现了一个奇怪的现象。本来，培养用于microRNA研究的永生化人类细胞系是一个常规实验，但是实验瓶里却多次出现黑斑，培养的细胞在一周内就死亡，令席教授百思不得其解。最终的发现令人大吃一惊，他实验室里所用的细胞培养基DMEM（Dulbeccos Modified Eagle Medium）高糖生物试剂居然是假的！之后，在从知名经销商那里买来新一批试剂后，细胞系才得以正常生长。这恐怕让所有人大跌眼镜。科学论文的重复性问题一直是争论的焦点之一，最近揭露的论文造假事件也层出不穷。排除一些确实心术不正的科学骗子在外，大多数的人其实是严谨认真的。然而，当科学工作者遇到这样的假试剂的时候，也是相当无奈，哑巴吃黄连，有苦说不出。在我们自己的实验当中，也经常出现实验无法重复的现象，但是又百思不得其解。在这样的情况之下，为了避免出现怀疑人生的不健康心理，我们一般把这种实验归结为该自己人品指数偏低，聊以自慰。好了，先不谈伤心的事儿了。那么，在药品保持稳定并且纯度较高的情况下，什么又是测不准的呢？我们知道，就像无论用多么精确的尺子，你永远也测不出物体真正的距离；无论多么精确的原子时钟，都永远有一个误差范围；无论多么先进的科学仪器，都不能完全准确地反应出真实的物质世界。所以，人类不得不和误差这个词语打交道。对于科学实验来说，我们可以接受的是在误差允许范围之内的测量。然而，很多时候，一个测试结果要收到相当多的因素的制约。举一个材料科学里面的例子，热电材料的大牛G. Jeffrey等人在2008年发表在Nature Materials上的文章提到了热电材料测试的一个有意思的局面。由于热电材料的热电优值ZT受到几个因素的影响，假设每一个数值的测量误差都在15%左右，最后算起来，ZT值的不确定性将达到50%，这个结果是惊人的。如果真的是这样的话，数以千记热电材料研究论文的意义就要大打折扣了。也正因为不是所有仪器都不准确无误的，现在的论文大多都要利用不同测试来全方位证明一个结论，以增强结论的可信度和说服力。例如，在材料科学里，通过X-ray diffraction (X射线衍射)，我们可以估算出晶粒尺寸。同时，我们也可借助TEM(透射电镜)或者SEM(扫描电镜)直接观测到样品的真实形貌，对上述结果进行确认。与过去相比，现在科学仪器越来越先进，精确度越来越高，但是，事实上科学测量是存在假象的，这才是真正考验科学工作者的时候。现在是时候回到文章开始提到的香蕉之铁电回线的事情了。Scott之所以要发表这样一篇看似无厘头的文章，自然是有其深层次的历史背景。近些年，一大批学术论文采用了这样的插图，并就此声称所得到的样品具有铁电性。所以，Scott教授用这样非常规表述方式跟大家开了个不大不小既有趣又严肃的玩笑。他的实验强有力地展示了非铁电体能够测出非常逼真的铁电回线。步Scott文章的后尘，Loidl不久以后通过宽频谱介电常数和电导的测量技术对香蕉作了进一步的分析和解释。他们认为，样品不均性、漏电导、介电库仑阻塞等因素可能是导致这种假铁电美猴王的诞生的原因。我们都知道，在标准的铁电回线中，会有两条明显的“尾巴”，这是由于材料中铁电畴转向而带来的非线性响应引发的。然而，重要的在于，“尾巴”只是一个初步的直观的图像，并不能严格地区分假象和本征铁电回线的特征。事实上，在满足一定特定频率的条件下，有些不对称的非线性的界面Schottky效应也可能产生明显的“尾巴”，而有些铁电体则因为漏电流的存在则观察不到尖锐的“尾巴”。换句话说，对于真正的铁电体来说，一个有“尾巴”的回线既不充分也不必要。这就解释了为什么香蕉能测试出铁电回线。感谢像Scott和Loidl这样很个性很有趣的科学家，在科学论文已经如此专业而略显八股的今天，让我们在体验科学的严谨求实的同时，还能让大家感受到科学研究的乐趣。有这样一个有关科学的论点不知道能争取到多少支持票：我们永远无法得到真正的真理，我们只能无限地接近真理。原因只在于人类的认知能力是有限的，同时，人类对于自己认知的表达方式更是有限的。无论再严密的理论，都必须有一个适用范围，也无法完全准确地描述这个客观世界。每当我们认为科学已经完美的时候，上帝就会给我们开一个巨大的玩笑，弄几片无法拨开的乌云在人类头上，用以嘲笑人类的渺小。尽管爱因斯坦不喜欢掷骰子的上帝，但是，上帝并却不买人类的帐。人类的贪婪在微观世界走到了尽头，量子力学的测不准原理的诞生更是对人类的当头一棒。事实告诉你，在微观世界，你若知道了粒子的速度，就不能知道他的位置；反之亦然。这看起来似乎是一种无奈。然而，换个思路来说，科学的无穷近性正是科学的最大魅力之一，你能想象一个所有谜团都被解决的世界吗？如果真的有那么一天的话，人将是多么枯燥和乏味，而科学松鼠会也可以就地解散了。最后，说点不着边际的事情，我估计很多人都不太了解特斯拉这个人。如果真的是这样，真诚地希望你去了解一下这个被遗忘了的天才，我相信他一定会满足而且超越你对人类的智慧极限的想象力。在特斯拉看来，每一个电子都是有生命的个体，他甚至认为人的大脑电波可以干涉电