来源：NIST新闻
美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员在3D打印的铝合金中发现了称为准晶体的特殊原子模式。
研究人员发现，准晶体提高了3D打印铝的强度，使其可用于飞机零件等轻质、高强度物体。
准晶体曾被认为不可能实现，最初是由NIST发现，并获得了2011年诺贝尔化学奖。
这项研究中发现的准晶体形成了20边形状的角，称为二十面体。为了证明他发现了一个二十面体，Andrew Iams必须在显微镜下旋转样品，以证明它具有五重、三重和双重旋转对称性。此动画显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晶体的样子。
图片来源：J. Wang/NIST
他不仅在这种铝合金中发现了准晶体，而且携手美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事们发现，铝合金也因这类准晶体变得更坚固。他们的发现已发表在《合金与化合物杂志》上。
这种合金是在金属3D打印的极端条件下形成的，3D打印是制造金属零件的一种新方法。若能从原子尺度上掌握这种铝材，那将有望成就一类全新的3D打印零件，如飞机组件、热交换器和汽车底盘。它还将为研究使用准晶体提升强度的新型铝合金打开大门。
什么是准晶体？
准晶体与普通晶体相似，但同时存在一些关键差异。
由原子或分子以重复模式组成的任何一类固体都可以称为传统的晶体。例如，食盐是一种常见的晶体。盐的原子彼此连接形成立方体，这些微观立方体又彼此相连形成更大的立方体，大到足以用肉眼看到。
原子只有230种方法形成重复的晶体图案。而准晶体不属于其中的任何一种。它们独特的形状使其形成了一种可以填满空间但却永远不会重复的图案。
20世纪80年代，以色列理工学院的材料科学家Dan Shechtman在NIST休假时发现了准晶体。当时许多科学家认为他的研究有缺陷，因为他发现的新晶体形状对于晶体的正常规则而言是不可能的。但通过仔细的研究，Shechtman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科学，并获得了2011年的诺贝尔化学奖。
几十年后，Andrew Iams也在Shechtman曾工作过的同一栋楼工作，并且在3D打印的铝材中发现了自己的准晶体。
金属3D打印是如何工作的？
3D打印金属有几种不同的方法，但最常见的是“粉末床熔融”。它的工作原理是：金属粉末均匀地分布在薄薄的一层中。然后，一束强大的激光在粉末上移动，将其熔化在一起。第一层完成后，在上面撒上一层新的粉末，重复该过程。激光一层一层地将粉末熔化成固体形状。
这款3D打印机通过激光熔化细金属粉末来构建物体。首先，在表面涂覆金属粉末。然后，利用高功率激光以特定图案熔化粉末。将这个过程重复数百或数千次，一层一层地构建金属件。最后，当物体完成后，将多余的粉末去除。
来源：Jennifer Lauren Lee/NIST
利用3D打印可以创建任何其他方法都无法实现的形状。例如，2015年，通用电气为飞机发动机设计了只能用金属3D打印制造出来的燃料喷嘴。这种新式喷嘴取得了巨大的改进。它的复杂形状一次打印成型，从打印机中出来的直接就是一整个轻质部件。相比之下，之前的燃料喷嘴必须由20个单独的部件组装而成，且比现在重25%。迄今为止，通用电气已经打印了数万个这样的燃料喷嘴，表明金属3D打印技术可以成功实现商用。
金属3D打印的一个局限性是它只适用于少数金属。“高强度铝合金几乎不可能打印出来，”NIST物理学家、该论文的合著者张帆（音译）说，“它们往往会产生裂缝，使其无法使用。”
为什么铝材料很难打印？
普通铝在700℃左右就会熔化。3D打印机中的激光必须将温度升得很高很高，超过了这种金属的沸点2470℃。这会改变金属的许多特性，况且铝的加热和冷却速度比其他金属都要快。
2017年，总部位于加利福尼亚州的HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校的一个团队发现了可以3D打印的高强度铝合金。他们发现，在铝粉中添加锆可以防止3D打印部件开裂，从而形成坚固的合金。
NIST的研究人员开始在原子尺度上了解这种新的商用3D打印铝锆合金。张说：“为了让这种新金属足够可靠地用于军用飞机零件等关键部件，我们需要深入了解原子是如何结合在一起的。”
准晶体如何使铝更坚固？
对金属而言，完美的晶体是脆弱的。完美晶体的模式是规则的，这使原子更容易相互滑过。一旦发生这种情况，金属就会弯曲、拉伸或断裂。准晶体破坏了铝晶体的规则模式，由此带来的瑕疵反而使金属更坚固。
研究中观察到的铝合金电子显微镜图像。浅灰色区域是铝合金中传统晶体的部分，而黑点是NIST发现的准晶体区域。弯曲的黑线从准晶体区域散发出来。这些线就是破坏整个合金中传统晶体模式的瑕疵，增加了其强度。
来源：NIST
帮助识别准晶体的测量科学
当Iams从合适的角度观察晶体时，他发现这些晶体具有五重旋转对称性。这意味着有五种方法可以让晶体围绕轴旋转，使其看起来一样。
Iams说：“五重对称性非常罕见。这种迹象暗示我们可能发现了准晶体。但只有保证测量结果正确，我们才能完全说服自己。”为了确认他们发现的是一个准晶体，Iams必须在显微镜下仔细旋转晶体，并从两个不同的角度证明它也有三重对称性和双重对称性。
张说：“现在我们有了这一发现，我认为这将为合金设计开辟一条新途径。我们已经证明准晶体可以使铝更坚固。大家可能会在未来的合金中有意识地制造准晶体。”
编译：李丽萍
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