Genoplivende kvasikrystaller:Fund gør et eksotisk materiale kommercielt levedygtigt

En klasse af materialer, der engang så ud, som om den kunne revolutionere alt fra solceller til stegepander - men faldt i unåde i begyndelsen af ​​2000'erne - kunne være klar til kommerciel genopstandelse, resultater fra et forskerhold ledet af University of Michigan tyder på.

Udgivet i Naturkommunikation , undersøgelsen viser en måde at lave meget større kvasikrystaller på, end det var muligt før, uden de defekter, der plagede tidligere producenter og førte til, at kvasikrystaller blev afvist som en intellektuel kuriosum.

"En grund til, at industrien opgav kvasikrystaller, er fordi de er fulde af defekter, " sagde Ashwin Shahani, U-M adjunkt i materialevidenskab og teknik og kemiteknik og en tilsvarende forfatter på papiret. "Men vi håber at bringe kvasikrystaller tilbage i mainstream. Og dette arbejde antyder, at det kan lade sig gøre."

kvasikrystaller, som har den ordnede struktur, men ikke de gentagne mønstre af almindelige krystaller, kan fremstilles med en række dragende egenskaber. De kan være ultrahårde eller superglatte. De kan absorbere varme og lys på usædvanlige måder og udviser eksotiske elektriske egenskaber, blandt en lang række andre muligheder.

Men de producenter, der først kommercialiseret materialet, opdagede snart et problem - små revner mellem krystaller, kaldet korngrænser, der inviterer til korrosion, gør kvasikrystaller modtagelige for fejl. Kommerciel udvikling af kvasikrystaller er for det meste blevet lagt på hylden lige siden.

Men nye resultater fra Shahanis hold viser, at under visse betingelser, små kvasikrystaller kan kollidere og smelte sammen, danner en enkelt stor krystal uden nogen af ​​de ufuldkommenheder i korngrænsen, der findes i grupper af mindre krystaller. Shahani forklarer, at fænomenet kom som en overraskelse under et eksperiment designet til at observere dannelsen af ​​materialet.

"Det ser ud til, at krystallerne heler sig selv efter kollision, at transformere en type defekt til en anden type, der til sidst helt forsvinder, " sagde han. "Det er ekstraordinært, givet, at kvasikrystaller mangler periodicitet."

Krystallerne starter som blyantlignende faste stoffer, der måler en brøkdel af en millimeter, suspenderet i en smeltet blanding af aluminium, kobolt og nikkel, som holdet kan observere i realtid og i 3D ved hjælp af røntgentomografi. Når blandingen afkøles, de små krystaller kolliderer med hinanden og smelter sammen, i sidste ende omdannes til en enkelt stor kvasikrystal, der er flere gange større end de konstituerende kvasikrystaller.

Efter at have observeret processen på Argonne National Laboratory, holdet kopierede det virtuelt med computersimuleringer. Ved at køre hver simulering under lidt forskellige forhold, de var i stand til at identificere de nøjagtige forhold, hvorunder de små krystaller vil smelte sammen til større. De fandt, for eksempel, at de små blyantlignende krystaller skal vende mod hinanden inden for en vis rækkevidde for at kunne kollidere og smelte sammen. Simuleringerne blev udført i Sharon Glotzers laboratorium, John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering og en tilsvarende forfatter på papiret.

"Det er spændende, når både eksperimenter og simuleringer kan observere de samme fænomener, der sker på samme længde og tidsskala, " sagde Glotzer. "Simuleringer kan se detaljer om krystalliseringsprocessen, som eksperimenter ikke helt kan se, og omvendt, så kun sammen kan vi fuldt ud forstå, hvad der sker."

Mens kommercialiseringen af ​​teknologien sandsynligvis er år tilbage, simuleringsdataene kan i sidste ende vise sig at være nyttige til at udvikle en proces til effektivt at producere store kvasikrystaller i produktionsskala mængder. Shahani forudser brugen af ​​sintring, en velkendt industriel proces, hvor materialer smeltes sammen ved hjælp af varme og tryk. Det er et mål langt væk, men Shahani siger, at den nye undersøgelse åbner en ny forskningsvej, der en dag kan få det til at ske.

For nu, Shahani og Glotzer arbejder sammen for at forstå mere om kvasikrystaldefekter, herunder hvordan de dannes, bevæge sig og udvikle sig.

Papiret har titlen "Danning af en enkelt kvasikrystal ved kollision af flere korn." Forskerholdet omfatter også Brookhaven National Laboratory.