复活准晶体发现使一种奇异的材料具有商业可行性

密歇根大学领导的一个研究小组的研究结果表明，曾经看起来好像可以彻底改变从太阳能电池到煎锅的所有材料的一类材料 - 但在 2000 年代初失宠 - 可能会在商业上复活。

该研究发表在Nature Communications 上，展示了一种制造比以前更大的准晶体的方法，没有困扰过去制造商并导致准晶体被视为智力好奇心的缺陷。

“工业界放弃准晶体的一个原因是因为它们充满缺陷，”密歇根大学材料科学与工程和化学工程助理教授、该论文的通讯作者 Ashwin Shahani 说。“但我们希望将准晶体带回主流。这项工作表明它可以做到。”

准晶体具有有序的结构，但没有普通晶体的重复图案，可以制造出具有一系列诱人特性的晶体。它们可以是超硬或超滑的。它们可以以不寻常的方式吸收热量和光，并表现出奇特的电特性，以及许多其他可能性。

但首先将这种材料商业化的制造商很快发现了一个问题——晶体之间的微小裂纹，称为晶界，会引起腐蚀，使准晶体容易失效。从那时起，准晶体的商业开发大多被搁置。

但是沙哈尼团队的新发现表明，在某些条件下，小准晶体可以碰撞并融合在一起，形成一个大晶体，没有在小晶体组中发现的晶界缺陷。沙哈尼解释说，在一项旨在观察材料形成的实验中，这种现象令人惊讶。

“看起来晶体在碰撞后会自我修复，将一种类型的缺陷转化为另一种类型的缺陷，最终完全消失，”他说。“这是非同寻常的，因为准晶体缺乏周期性。”

晶体开始时为铅笔状固体，尺寸为几分之一毫米，悬浮在铝、钴和镍的熔融混合物中，团队可以使用 X 射线断层扫描实时和 3D 观察。随着混合物冷却，微小的晶体相互碰撞并融合在一起，最终变成一个大的准晶体，比组成准晶体大几倍。

在阿贡国家实验室观察了这个过程后，该团队用计算机模拟虚拟地复制了它。通过在稍微不同的条件下运行每个模拟，他们能够确定微小晶体融合成更大晶体的确切条件。例如，他们发现，微小的铅笔状晶体必须在一定的排列范围内相互面对才能碰撞和聚结。模拟是在Sharon Glotzer实验室进行的，Sharon Glotzer是 John Werner Cahn 杰出大学工程教授，也是该论文的通讯作者。

“当实验和模拟都可以观察到在相同长度和时间尺度上发生的相同现象时，这是令人兴奋的，”格洛策说。“模拟可以看到实验无法完全看到的结晶过程的细节，反之亦然，因此只有一起我们才能完全了解正在发生的事情。”

虽然该技术的商业化可能还需要数年时间，但模拟数据最终可能会被证明有助于开发一种有效生产大规模准晶体的工艺。Shahani 预计会使用烧结，这是一种众所周知的工业过程，其中使用热量和压力将材料融合在一起。这是一个遥远的目标，但沙哈尼说，这项新研究开辟了一条新的研究途径，有朝一日可能会实现。

目前，Shahani 和 Glotzer 正在合作以了解更多关于准晶缺陷的信息，包括它们如何形成、移动和演化。

这篇论文的标题是“多个晶粒碰撞时单晶准晶的形成”。研究团队还包括布鲁克海文国家实验室。

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