研究人员在3D打印铝合金中发现了特殊的原子结构，称为准晶体。研究人员发现，准晶体增加了3D打印铝的强度，使其能够用于飞机零部件等轻质高强度物体。曾被认为是不可能的，准晶体使得2011年获得了诺贝尔化学奖。
安德鲁·艾姆斯在通过电子显微镜观察时看到了一些奇怪的东西。他正在原子尺度上检查一种新的铝合金片，寻找其强度的关键，突然注意到这些原子的排列非常不寻常。“那时我开始感到兴奋，”材料研究工程师艾姆斯说，“因为我想我可能正在观察一个准晶体。”
他不仅在这种铝合金中发现了准晶体，而且他和国家标准与技术研究院（NIST）的同事们发现这些准晶体也使其更强。他们在《合金与化合物期刊》（Journal of Alloys and Compounds）上发表了他们的发现。
这种合金是在金属3D打印的极端条件下形成的，这是一种制造金属部件的新方法。了解这种铝在原子尺度上的特性，将使一种全新的3D打印部件类别成为可能，例如飞机组件、热交换器和汽车底盘。这也将为研究利用准晶体获取强度的新铝合金打开大门。
什么是准晶体？
准晶体类似于普通的晶体，但有几个关键的不同之处。
传统的晶体是任何由原子或分子在重复模式中构成的固体。例如，食盐就是一种常见的晶体。盐的原子连接成立方体，这些微观立方体连接形成足够大的立方体，可以肉眼看见。
原子形成重复晶体模式的方式只有230种。准晶体不属于其中的任何一种。它们独特的形状使它们能够形成填充空间的图案，但从不重复。
材料科学家丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）在1980年代的NIST休假期间发现了准晶体。那时，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在正常的晶体规则下是不可能的。但通过仔细的研究，谢赫特曼毫无疑问地证明了这种新型晶体的存在，彻底改变了晶体学的科学，并在2011年获得了化学诺贝尔奖。
几乎几十年后，与谢赫特曼在同一栋楼工作的安德鲁·艾姆斯在3D打印铝中发现了自己的准晶体。
金属3D打印是如何工作的？
金属3D打印有几种不同的方法，但最常见的是称为“粉末床熔化”。它的工作原理如下：金属粉末均匀地涂抹成一层薄层。然后，一个强大的激光器在粉末上移动，将其融化在一起。在完成第一层后，再在上面涂抹一层新的粉末，该过程重复进行。一层一层，激光将粉末熔化成固体形状。
3D打印创造出使用任何其他方法都无法实现的形状。例如，2015年，通用电气设计了只能通过金属3D打印制造的飞机发动机燃油喷嘴。这种新喷嘴是巨大的改进。其复杂的形状从打印机中作为一个单独的轻质量部件出来。相比之下，之前的版本必须由20个单独的零件组装而成，重25%。迄今为止，通用电气已经打印了数以万计的这种燃油喷嘴，证明金属3D打印可以实现商业成功。
金属3D打印的一个限制是它仅适用于少数金属。“高强度铝合金几乎无法打印，”NIST物理学家范·张（Fan Zhang）说，他是论文的共同作者。“它们往往会产生裂纹，使其无法使用。”
为什么打印铝很难？
普通铝的熔点大约为700°C。3D打印机中的激光必须将温度提高得高得多：超过金属的沸点，达到2470°C。这会改变金属的许多特性，尤其是铝加热和冷却的速度比其他金属快。
2017年，加利福尼亚的HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校的一个团队发现了一种可以3D打印的高强度铝合金。他们发现，向铝粉末中添加锆可以防止3D打印的部件出现裂纹，从而形成一种强合金。
NIST研究人员着手了解这种新型商业化的3D打印铝-锆合金的原子级特征。“为了信任这种新金属，足以用于军事飞行器零件等关键组件，我们需要深入了解原子是如何相互结合的，”张说。
NIST团队想知道是什么使这种金属如此强大。结果，部分答案是准晶体。
准晶体如何使铝更强？
在金属中，完美晶体是脆弱的。完美晶体的规律模式使得原子更容易滑过彼此。当发生这种情况时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体打破了铝晶体的规律模式，造成缺陷，使金属更强。
识别准晶体背后的测量科学
当艾姆斯从恰当的角度观察晶体时，他看到它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种方法可以围绕一个轴旋转晶体，使其看起来相同。
“五重对称性非常罕见。这是我们可能有一个准晶体的标志，”艾姆斯说。“但在我们得到准确的测量结果之前，我们无法完全说服自己。”为了确认他们确实有一个准晶体，艾姆斯必须仔细地旋转显微镜下的晶体，并显示它在两个不同的角度下也具有三重对称性和二重对称性。
“现在我们有了这个发现，我认为这将为合金设计开辟一种新方法，”张说。“我们已经证明准晶体可以增强铝的强度。现在人们可能会尝试在未来的合金中有意创造它们。”
