复活的类晶体:自愈现象使一种奇特的材料在商业上具有价值

2021-10-11 17:39:25
来源:文章来源于网络

  自愈合现象可以减少使准晶不可行的缺陷。密歇根大学领导的一个研究小组的研究结果表明,曾经很可能完全改变一切从太阳能电池到煎锅的材料,但在二十一世纪初不再流行,可能会在商业上复苏。这项发表在《自然通讯》上的研究显示了制造更大准晶的方法,而不存在困扰过去制造商的缺陷。X射线断层扫描显示了两个准晶在冷却过程中开始合并的侧视图。Ashwin Shahani,密歇根大学材料科学与工程与化学工程助理教授和论文的相应作者说:工业界放弃准晶的一个原因是它们充满了缺陷,但我们希望将准晶重新纳入主流。这项工作表明可以做到

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  准晶具有有序结构,但它们不具有普通晶体的重复模式,并且可以制成一系列吸引人的性质。它们可以是超硬的,也可以是超滑的。它们能以不同寻常的方式吸收热量和光线,并表现出奇怪的电特性,以及一系列其他可能性。然而,最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,即所谓的晶界,将导致腐蚀,并使准晶体容易失效。此后,准晶的大部分商业开发被搁置,然而,Shahani团队的新发现表明,在某些条件下,小准晶可以碰撞并融合在一起形成单个大晶体,并且在小晶体群中没有发现晶界缺陷。在一项旨在观察这种物质形成的实验中,这种现象令人惊讶;似乎晶体在碰撞后正在自我愈合,将类型的缺陷转化为另类型,并最终完全消失,这是不寻常的,因为准晶缺乏周期性。晶体开始时是铅笔状固体,只有一毫米大小,悬浮在铝的熔融混合物中,钴和镍。该研究团队可以利用X射线断层扫描技术实时观察这些晶体的三维结构。随着混合物冷却,这些微小的晶体相互碰撞和融合,最终演化成一个大准晶,比准晶大几倍。在阿贡国家实验室观察到这一过程后,研究小组通过计算机模拟进行了虚拟复制。通过在稍微不同的条件下运行每个模拟,他们能够确定在什么条件下小晶体会融合成大晶体。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,才能碰撞并凝聚在一起。这些模拟实验是在Sharon glotzer实验室进行的,Sharon glotzer是约翰·沃纳·卡恩杰出大学的工程学教授,也是论文“Say:”的通讯作者;当实验和模拟都能在相同的长度和时间尺度上观察到相同的现象时,这是令人兴奋的。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,只有共同努力,我们才能完全理解正在发生的事情。尽管这项技术的商业化可能需要几年时间,但模拟数据最终可能证明有助于开发有效生产大型准晶的生产规模工艺。沙哈尼的团队希望使用烧结技术,这是众所周知的工业工艺,在该工艺中,材料通过加热和压力熔化。但这是一个遥远的目标,但沙哈尼说,这项新研究开辟了新的研究方法,有一天可以实现这一目标。目前,沙哈尼和格洛泽正在共同努力,以了解更多关于准晶缺陷的信息,包括它们是如何形成、移动和演化的。阅读全文