Класс материалов, который когда-то выглядел так, как будто он может произвести революцию во всем, от солнечных батарей до сковородок, но потерял популярность в начале 2000-х годов, может быть готов к коммерческому возрождению, говорится в выводах Мичиганского университета. исследовательская группа предлагает.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует способ изготовления квазикристаллов гораздо больших размеров, чем это было возможно раньше, без дефектов, от которых страдали производители прошлых лет и которые привели к тому, что квазикристаллы были отвергнуты как интеллектуальная диковинка.
«Одна из причин, по которой промышленность отказалась от квазикристаллов, заключается в том, что они полны дефектов», - сказал Ашвин Шахани, доцент кафедры материаловедения, машиностроения и химического машиностроения Университета штата Массачусетс и соавтор статьи. «Но мы надеемся вернуть квазикристаллы в мейнстрим. И эта работа намекает, что это можно сделать».
Квазикристаллы, которые имеют упорядоченную структуру, а не повторяющиеся узоры обычных кристаллов, могут быть изготовлены с рядом привлекательных свойств. Они могут быть сверхтвердыми или суперскользкими. Они могут необычным образом поглощать тепло и свет и проявлять экзотические электрические свойства, среди множества других возможностей.
Но производители, впервые выпустившие этот материал на рынок, вскоре обнаружили проблему - крошечные трещины между кристаллами, называемые границами зерен, которые вызывают коррозию, делая квазикристаллы уязвимыми к разрушению. С тех пор коммерческое развитие квазикристаллов в основном было отложено.
Но новые результаты, полученные командой Шахани, показывают, что при определенных условиях маленькие квазикристаллы могут сталкиваться и сливаться вместе, образуя один большой кристалл без каких-либо дефектов границ зерен, обнаруженных в группах меньших кристаллов. Шахани объясняет, что это явление стало неожиданностью во время эксперимента, направленного на наблюдение за формированием материала.
«Похоже, что кристаллы исцеляются после столкновения, превращая один тип дефекта в другой, который в конечном итоге полностью исчезает», - сказал он. «Это необычно, учитывая, что у квазикристаллов отсутствует периодичность».
Кристаллы начинаются как карандашообразные твердые тела размером в доли миллиметра, взвешенные в расплавленной смеси алюминия, кобальта и никеля, которые команда может наблюдать в режиме реального времени и в 3D с помощью рентгеновской томографии. Когда смесь остывает, крошечные кристаллы сталкиваются друг с другом и сливаются вместе, в конечном итоге превращаясь в один большой квазикристалл, который в несколько раз больше, чем составляющие его квазикристаллы.
После наблюдения за процессом в Аргоннской национальной лаборатории команда воспроизвела его виртуально с помощью компьютерного моделирования. Запустив каждую симуляцию в немного разных условиях, они смогли определить точные условия, при которых крошечные кристаллы будут сливаться в более крупные. Они обнаружили, например, что крошечные кристаллы, похожие на карандаши, должны быть обращены друг к другу в пределах определенного диапазона выравнивания, чтобы столкнуться и слиться. Моделирование проводилось в лаборатории Шэрон Глотцер, заслуженного профессора инженерных наук Университета Джона Вернера Кана и соответствующего автора статьи.
«Это здорово, когда и эксперименты, и симуляции могут наблюдать одни и те же явления, происходящие в одних и тех же масштабах длины и времени», - сказал Глотцер. «Моделирование может видеть детали процесса кристаллизации, которые эксперименты не могут увидеть, и наоборот, так что только вместе мы можем полностью понять, что происходит».
Хотя до коммерциализации технологии, вероятно, еще далеко, данные моделирования могут в конечном итоге оказаться полезными при разработке процесса эффективного производства больших квазикристаллов в промышленных масштабах. Шахани предполагает использование спекания, известного промышленного процесса, при котором материалы сплавляются вместе с использованием тепла и давления. Это далекая цель, но Шахани говорит, что новое исследование открывает новое направление исследований, которое однажды может осуществить это.
На данный момент Шахани и Глотцер работают вместе, чтобы больше узнать о квазикристаллических дефектах, в том числе о том, как они формируются, перемещаются и эволюционируют.
Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Управлением по науке, Управлением фундаментальной энергетики, номер награды DE-SC0019118.
Глотцер также является заведующим кафедрой химического машиностроения Энтони К. Лембке, университетским профессором химического машиностроения Стюарта У. Черчилля, а также профессором материаловедения и инженерии, макромолекулярных наук и инженерии.