Кристалл, который не должен был существовать, обнаружили в 3D-печатном металле
Ученые из Национального института стандартов и технологий NIST (США) сделали неожиданное открытие: в алюминиевом сплаве, напечатанном на 3D-принтере, найдены квазикристаллы — редкие структуры атомов, которые делают металл прочнее. Это может изменить производство деталей для самолетов, автомобилей и других высокотехнологичных устройств. Исследование, опубликованное в Journal of Alloys and Compounds, показывает, как эти необычные структуры усиливают материал и открывают новые возможности для инженеров.
Инженер-материаловед Эндрю Ямс изучал новый алюминиевый сплав под электронным микроскопом и заметил странный узор: атомы выстраивались в непохожий на обычные кристаллы порядок. Он заподозрил, что это квазикристаллы — редкие структуры, которые не повторяются, как кубики в соли. После тщательной проверки, включая вращение образца для подтверждения симметрии, команда NIST доказала: это действительно квазикристаллы, формирующие 20-гранную форму — икосаэдр.
«Вот тогда я и начал волноваться, потому что подумал, что, возможно, смотрю на квазикристалл», — сказал Эндрю Ямс.
Удивительно, что эти квазикристаллы усиливают сплав. Они создают дефекты, которые нарушают слабые места обычных кристаллов, делая металл устойчивым к изгибам и поломкам. Это открытие произошло в алюминиево-циркониевом сплаве, созданном с помощью 3D-печати металлом — технологии, где лазер плавит металлический порошок слой за слоем, формируя сложные детали.
Что такое квазикристаллы?
Обычные кристаллы, как соль или сахар, имеют повторяющийся узор атомов, словно мозаика.
Квазикристаллы, по идее, не должны существовать: их узор заполняет пространство, но никогда не повторяется. Они имеют необычную симметрию — например, пятикратную (поворот на 72° дает тот же вид). Представьте мозаику, где плитки складываются в красивый, но хаотичный рисунок без повторов.
Квазикристаллы открыл Дэн Шехтман в 1980-х в NIST, что считалось невозможным и принесло ему Нобелевскую премию по химии 2011 года. Тогда их нашли случайно, а теперь они появились в 3D-печатном сплаве, что является огромной удачей для научной инженерии.
В 3D-печати металлом (метод «сплавление в порошковой кровати») порошок алюминия наносится тонким слоем, а лазер плавит его в нужной форме. Новый слой порошка добавляется, и процесс повторяется. Это позволяет создавать детали, которые невозможно сделать традиционно, например, легкие топливные форсунки для самолетов. Лазеры нагревают металл до 2470°C (выше точки кипения алюминия 700 °C), что меняет его свойства, иногда вызывая трещины. Добавление циркония, как в этом сплаве, решает проблему.
Квазикристаллы делают алюминий прочнее, что идеально для легких, но надежных деталей в самолетах, автомобилях или теплообменниках. Обычно высокопрочные алюминиевые сплавы трескаются при 3D-печати, но этот сплав выдерживает нагрузки благодаря квазикристаллам. Открытие может вдохновить инженеров создавать сплавы, где квазикристаллы добавляют намеренно.
«Теперь, когда у нас есть это открытие, я думаю, оно дает нам новый подход к проектированию сплавов», — говорит физик NIST Фань Чжан.
Например, топливные форсунки, напечатанные на 3D-принтере, уже сократили вес на 25% — квазикристаллы могут еще больше сократить вес.
