据外媒报道，美国国家标准和技术研究所（NIST）研究人员通过电子显微镜在铝合金中发现准晶体，并且这些准晶体使合金变得更强劲。相关研究发表在期刊《Alloys and Compounds》上。

（图片来源：NIST）

当时，材料研究工程师Andrew Iams从原子尺度检测新型铝合金的切片，以寻找其高强度的源头。Iams发现，这些原子以非常极其罕见的模式排列。他表示：“我觉得自己看到的可能是一个准晶体。”

这种合金是通过3D金属打印（制造金属部件的新方法）在极端条件下形成的。从原子尺度来了解这种铝，有助于开发全新类别的3D打印部件，例如飞机组件、热交换器和汽车底盘。这还为研究新型铝合金开辟了道路，以利用准晶体来提升强度。

准晶体与普通晶体类似，但存在一些关键性区别

传统晶体是指由原子或分子有规则性重复排列而构成的各种固体。例如，食盐就是一种常见的晶体。盐原子结合成立方体结构，再组合形成更大的立方体，甚至达到肉眼可见的程度。

原子在形成重复晶体结构时仅有230种可能排列方式，但准晶体不适合其中任何一种。它们具有独特的形态，可以形成一种能填满空间但永不重复的图案。

以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）材料学家Dan Shechtman于20 世纪80年代发现并证明了准晶体的存在，并于2011年获得诺贝尔化学奖。几十年后，在与Shechtman同一栋大楼里工作的Andrew Iams在3D打印铝中发现了自己的准晶体。

3D金属打印

3D打印金属包括若干种不同的方法，比如最常见的粉末床熔合法。通过3D打印可以制作出其他方法都无法制作的外形，但这仅适用于少数几种金属。NIST物理学家Fan Zhang表示：“这种方法几乎不可能用于打印高强度铝合金，它们很容易产生裂纹，因而无法使用。”

为何打印铝如此难？

普通铝材的熔点约为700℃。而3D打印机中的激光器必须进一步提高温度，超过金属的沸点2470℃。这会改变金属的许多特性，特别是在铝的升降温速率超过其他金属的情况下。

2017年，加州HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校（UC Santa Barbara）的团队发现了一种可用于3D打印的高强度铝合金。他们发现，在铝粉中添加锆可以防止3D打印部件开裂，从而形成坚固的合金。

NIST研究人员着手从原子尺度上了解这种新型、可商用的3D打印铝锆合金。Zhang表示：“为了确保这种新金属可用于制造关键部件，如军用飞机部件等，我们需要深入了解这些原子是如何组合在一起的。”

NIST团队想探索这种金属如此坚固的原因。结果发现，部分答案是准晶体。

准晶体如何使铝更坚固？

金属中的完美晶体很脆弱。由于完美晶体的规则性结构，原子更容易滑过彼此。发生这种情况时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体会破坏铝晶体的规则排列，从而产生缺陷，使金属更坚固。

识别准晶体背后的测量科学

Iams从适当的角度观察这些晶体，并发现它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种绕轴旋转晶体的方式，可使其保持相同形态。Iams表示：“五重对称非常罕见。这意味着我们可能有一个准晶体。但在得到正确的测量结果之前，我们不敢完全确定。”

为了确认他们拥有一个准晶体，Iams在显微镜下小心地旋转晶体，并从两个不同的角度展示它也具有三重对称性和双重对称性。

Zhang表示：“现在，我们获得了这一发现，这将为合金设计开辟新的途径。研究人员已证明准晶体可以使铝更坚固，人们可以尝试在未来的合金中构建准晶体。”