NIST 的研究人员在 3D 打印铝合金中发现了准晶体，这是一种罕见的非重复原子结构。研究发现，这些准晶体可以增强金属的强度，使其更适合制造飞机等轻质、高性能部件。准晶体于 20 世纪 80 年代首次在 NIST 发现，这一突破挑战了长期以来的科学信念，并于 2011 年获得诺贝尔化学奖。

材料研究工程师安德鲁·伊姆斯（Andrew Iams）在电子显微镜下观察一种新型铝合金薄片时，发现了一些异常。在原子尺度上，原子的排列方式极不规则——这与大多数晶体典型的重复结构截然不同。“那一刻我开始兴奋起来，”材料研究工程师伊姆斯说道，“因为我感觉自己看到的可能是一种准晶体。”

他的直觉是正确的。伊姆斯和他在美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的同事证实，该合金含有准晶体，这是一种罕见的原子结构，不像传统晶体那样重复。更令人惊讶的是，他们发现这些准晶体实际上提高了合金的强度。该团队将他们的研究成果发表在《合金与化合物杂志》上。

这种合金是在金属3D打印过程中形成的，3D打印是一种使用高功率激光将金属粉末熔合成复杂形状的制造工艺。在原子层面上研究这种材料，有望催生出一类全新的3D打印部件，从飞机部件到热交换器，再到汽车车架。这也为设计有意引入准晶体以增强强度的新型铝合金打开了大门。

本研究中发现的准晶体构成了二十面体（称为二十面体）的角。为了证明他发现了二十面体，安德鲁·伊姆斯（Andrew Iams）不得不在显微镜下旋转样品，以显示其具有五重、三重和两重旋转对称性。此动画展示了二十面体的这三种视图，以及从三个不同角度在显微镜下观察到的晶体形态。图片来源：J. Wang/NIST

准晶体与普通晶体类似，但有一些关键的区别。

传统晶体是指由原子或分子以重复模式构成的固体。例如，食盐就是一种常见的晶体。盐的原子连接在一起形成立方体，这些微小的立方体再连接在一起，形成更大的立方体，大到可以用肉眼看到。

原子形成重复晶体图案的可能方式只有230种。准晶体不属于其中任何一种。它们独特的形状使它们能够形成一种填充空间但永不重复的图案。

以色列理工学院材料科学家丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）于20世纪80年代在美国国家标准与技术研究院（NIST）休假期间发现了准晶体。当时，许多科学家认为他的研究存在缺陷，因为他发现的新晶体形状在晶体的正常规则下不可能存在。但谢赫特曼通过细致的研究，毫无疑问地证明了这种新型晶体的存在，从而彻底改变了晶体学，并于2011年荣获诺贝尔化学奖。

几十年后，与谢赫特曼在同一栋大楼里工作的安德鲁·伊姆斯 (Andrew Iams) 在 3D 打印铝中发现了自己的准晶体。

该研究中铝合金的电子显微镜图像。浅灰色区域是铝合金内部传统晶体的截面，而黑点是NIST发现准晶体的区域。蜿蜒的黑线从准晶体截面延伸而出。这些线条是缺陷，它们破坏了整个合金中传统晶体的模式，从而提高了合金的强度。图片来源：NIST

3D打印金属有几种不同的方法，但最常见的是“粉末床熔融法”。其工作原理如下：将金属粉末均匀地铺成薄层。然后用强大的激光在粉末上移动，将其熔化。第一层粉末完成后，再铺上一层新的粉末，重复此过程。激光一层一层地将粉末熔化成固体形状。

位于阿拉巴马州奥本的GE航空工厂，40多台金属3D打印机已为高性能LEAP发动机生产了超过3万个燃油喷嘴。在这段ASME视频中，负责设计燃油喷嘴的工程师讲述了他是如何应对这一挑战的。

3D打印能够创造出其他任何方法都无法实现的形状。例如，2015年，通用电气公司（GE）设计了飞机发动机的燃油喷嘴（见上方视频），这些喷嘴只能通过金属3D打印制造。这款新型喷嘴是一个巨大的进步。其复杂的形状最终以轻巧的单个部件的形式从打印机中打印出来。相比之下，之前的版本需要由20个独立部件组装而成，而且重量增加了25%。迄今为止，通用电气公司已经打印了数万个此类燃油喷嘴，证明了金属3D打印在商业上的巨大成功。

金属3D打印的局限性之一是它只适用于少数几种金属。“高强度铝合金几乎不可能打印，”该论文的合著者、NIST物理学家张帆说道。“它们很容易产生裂纹，导致无法使用。”

普通铝的熔点约为 700 摄氏度。3D 打印机中的激光器必须将温度升高到更高的程度：超过金属的沸点 2，470 摄氏度。这会改变金属的许多特性，特别是因为铝比其他金属加热和冷却得更快。

2017年，加州HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校的团队发现了一种可用于3D打印的高强度铝合金。他们发现，在铝粉中添加锆元素可以防止3D打印部件开裂，从而形成一种坚固的合金。

NIST的研究人员着手从原子尺度上理解这种新型商用3D打印铝锆合金。张教授表示：“为了确保这种新型金属能够用于军用飞机等关键部件，我们需要深入了解原子之间的相互作用。”

NIST团队想知道是什么让这种金属如此坚固。结果发现，部分答案是准晶体。

在金属中，完美晶体的强度较低。完美晶体的规则结构使原子更容易相互滑移。当这种情况发生时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体破坏了铝晶体的规则结构，产生了一些缺陷，从而使金属强度更高。

当伊姆斯从合适的角度观察这些晶体时，他发现它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种方法可以让晶体绕轴旋转，使其看起来相同。

“五重对称性非常罕见。这是我们可能存在准晶体的明显迹象，”伊姆斯说。“但在测量结果准确之前，我们无法完全确定。”为了确认他们发现了准晶体，伊姆斯必须在显微镜下小心地旋转晶体，并从两个不同的角度观察它是否也具有三重对称性和二重对称性。

“既然我们有了这项发现，我认为它将为合金设计开辟一条新途径，”张教授说道，“我们已经证明准晶体可以增强铝的强度。现在人们或许可以尝试在未来的合金中有意地制造它们。”

编译自/ScitechDaily