Учени са открили, че наличието на квазикристали в нова алуминиева сплав, създадена чрез 3D принтиране, значително увеличава нейната здравина.
Квазикристалите се различават от всички материали в природата по своеобразната си структура, която се повтаря, но няма подредеността на обикновените кристали.
Това откритие отваря нови възможности за производство на леки и здрави компоненти за авиацията, автомобилостроенето и други индустрии.
Квазикристалите, открити в това изследване, образуват ъгли с двайсетостен, наречен икосаедър. За да докаже, че е открил икосаедър, Андрю Иамс е трябвало да завърти пробата под своя микроскоп, за да покаже, че има петкратна, тройна и двойна ротационна симетрия. Тази анимация показва тези три изгледа на икосаедър, както и как изглеждат кристалите под микроскоп от трите различни ъгъла. Кредит: J. Wang/NIST
Докато изследвал нова алуминиев сплав под електронния си микроскоп, Андрю Иамс (Andrew Iams), инженер в американския Национален институт за стандарти и технологии (NIST), открива нещо необичайно. Той забелязал странна атомна подредба, която го навела на мисълта, че може да е попаднал на квазикристал.
Това го вълнувало, защото квазикристалите не се срещат в природата, с изключение на метеоритите, около ядрени взривове и лабораторно създадените. Освен че са редки, те притежават и уникални свойства.
Иамс и екипът му не само откриват в новата алуминиева спла тези квазикристални структури, но и доказват, че те допринасят за по-голямата здравина на материала.
Резултатите от изследването са публикувани в списание Journal of Alloys and Compounds.
Тази алуминиева сплав се образувала при екстремните условия на 3D принтиране на метали - технология, която позволява създаването на метални компоненти със сложни форми. Разбирането на структурата ѝ на атомно ниво би могло да доведе до разработване на нови видове алуминиеви сплави и по-ефективни части за самолети, автомобили и други приложения.
Какво представляват квазикристалите?
Квазикристалите са като обикновените кристали, но с няколко ключови разлики.
Традиционният кристал е всяко твърдо вещество, направено от атоми или молекули в повтарящи се модели. Например трапезната сол е обикновен кристал, чийто атоми се свързват, оформяйки кубчета, а тези микроскопични кубчета се свързват, за да образуват по-големи кубчета, които са достатъчно големи, за да се видят с просто око.
| Например елементарната клетка на кристала халит (готварска сол или натриев хлорид) е куб с осем хлорни йони (червените топчета) в ъглите и 6 в центровете на стените и 12 натриеви йони (черни топчета) в средата на ръбовете на куба и един - в центъра на куба. |  |
Има само 230 възможни начина атомите да образуват повтарящи се кристални модели. Квазикристалите не се вписват в нито един от тях. Тяхната уникална форма им позволява да образуват модел, който изпълва пространството с край брой вид елементи, но никога не се повтаря.
Моделът на мозайката на Пенроуз отразява тип непериодична, квазикристална структура, което означава, че е подредена, но никога не се повтаря. Моделът е съставен от две форми. Проявява се петкратна симетрия. Кредит: bgchaos.com по елементи на American Mathematical Society.
Квазикристалите се отличават от обикновените кристали. Докато традиционните кристали имат повтарящи се атомни структури (като готварската сол, чийто атоми образуват кубове), квазикристалите запълват пространството без да повтарят своя модел. Те не се вписват в 230-те възможни начина за образуване на традиционни кристални решетки.
Тези уникални форми са открити от Дан Шехтман през 80-те години, докато работел в същата сграда на NIST. В началото много учени са посрещнали откритието му със скептицизъм и дори присмех, но той доказва съществуването на новата форма на кристали и през 2011 г. получава Нобелова награда за химия.
Години по-късно Ийамс открива свои собствени квазикристали в алуминиевата сплав, получена чрез 3D принтиране.
Как работи металният 3D печат?
Най-често използваният метод за 3D принтиране на метали се нарича "прахово легло с лазерно сливане". Тънък слой метален прах се разстила равномерно, след което лазер го разтопява в определени зони. След това се добавя нов слой прах и процесът се повтаря, докато се изгради цялата форма.
Този 3D принтер изгражда обекти чрез разтопяване на фин метален прах с лазер. Първо, повърхността се покрива с метален прах. След това високомощен лазер разтопява този прах по определен модел. Процесът се повтаря стотици или хиляди пъти, изграждайки металното парче слой по слой. Накрая, когато обектът е завършен, излишният прах се отстранява. Кредит: Jennifer Lauren Lee/NIST
Тази технология позволява създаване на сложни обекти, които не могат да бъдат произведени по друг начин. Например, през 2015 г. GE създаде дюзи за самолетни двигатели, които излизат от принтера като едно цяло, докато преди това били съставени от 20 части и били с 25% по-тежки.
Въпреки предимствата, 3D принтирането на метали има ограничения - например може да работи само с няколко метала. Високоякостните алуминиеви сплави често се напукват по време на принтиране, което ги прави непригодни за използване.
Защо е трудно да се печата алуминий?
Нормалният алуминий се топи при температури от около 700 градуса C. Лазерите в 3D принтер трябва да повишат температурата много, много по-високо: след точката на кипене на метала, 2470 градуса C. Това променя много от свойствата на метала, особено след като алуминият се нагрява и охлажда по-бързо от другите метали, което допринася за образуването на пукнатини.
През 2017 г. екип от HRL Laboratories и Калифорнийския университет в Санта Барбара открива, че добавянето на цирконий към алуминиевия прах предотвратява напукването, като така се създава здрава 3D-принтирана сплав. Учени от NIST решават да проучат тази сплав на атомно ниво, за да разберат какво я прави толкова здрава. Оказало се, че една от причините е наличието на квазикристали.
Изображение с електронен микроскоп на алуминиева сплав от изследването. Светлосивите зони са участъци от традиционни кристали в алуминиевата сплав, докато черните точки са участъци, където NIST е открил квазикристали. Извиващи се черни линии излизат от квазикристалните секции. Тези линии са дефекти, които нарушават модела на традиционните кристали в цялата сплав, увеличавайки нейната здравина. Кредит: NIST
Идентифицирането на квазикристал
Когато Иъмс поглежда кристалите от правилния ъгъл, той вижда, че те имат петкратна ротационна симетрия. Това означава, че има пет начина да се завърти кристала около ос, така че да изглежда по същия начин.
"Петкратната симетрия е много рядка. Това бе издайническият знак, че може да е получен квазикристал", обяснява Иамс. "Но не можахме да се убедим напълно, докато не направихме правилните измервания."
За да потвърди, че имат квазикристал, Иамс трябва внимателно да завърти кристала под микроскопа и да покаже, че той има и тройна симетрия, и двойна симетрия от два различни ъгъла.
В металите идеалните кристални структури са слаби, защото слоевете атоми лесно се приплъзгат един спрямо друг, което води до огъване, разтягане или счупване на материала. Квазикристалите нарушават тази регулярност, създават такава подредба, че да се повишави здравината на метала.
"Показахме, че квазикристалите могат да направят алуминия по-здрав. Сега хората могат да се опитат да ги създадат умишлено в бъдещи сплави", коментира Иамс
Справка: A.D. Iams, J.S. Weaver, B.M. Lane, L.A. Giannuzzi, F. Yi, D.L. LaPlant, J.H. Martin and F. Zhang. Microstructural Features and Metastable Phase Formation in a High-Strength Aluminum Alloy Fabricated Using Additive Manufacturing. Journal of Alloys and Compounds. Published online April 7, 2025. DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.180281
Източник: Rare Crystal Shape Found to Increase the Strength of 3D-Printed Metal, NIST
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Полетът на Starliner до МКС през 2024 г. е бил много по-драматичен, отколкото знаем (видео)
dolivo
Загадка: Как са се озовали инструменти, подобни на неандерталските, в Източна Азия - разстоянието е континент?
dolivo
Варна става част от Световно космическо парти с кратки видеоклипове и техно груув парти
Имане Хелиф
Анусът може да е еволюирал от отвор, първо използван за отделяне на сперма