Коммерческое использование квазикристаллов

Явление самовосстановления могло уменьшить дефекты, которые делали квазикристаллы непрактичными.

Класс материалов, который когда-то выглядел так, как будто он может произвести революцию во всем, от солнечных батарей до сковородок, но потерявший популярность в начале 2000-х годов, может быть готов к коммерческому возрождению, как показывают результаты исследовательской группы Мичиганского университета.

Визуализация рентгеновской томографии показывает вид сверху двух квазикристаллов, когда они начинают сливаться вместе во время охлаждения. Предоставлено: Shahani Group, Мичиганский университет.

Исследование, опубликованное в Nature Communications , демонстрирует способ создания квазикристаллов гораздо большего размера, чем это было возможно раньше, без дефектов, которые преследовали прошлых производителей и приводили к тому, что квазикристаллы были отвергнуты как интеллектуальное любопытство.

Использование в промышленности

«Одна из причин, по которой промышленность отказалась от квазикристаллов, заключается в том, что они полны дефектов», — сказал Эшвин Шахани, доцент кафедры материаловедения, инженерии и химической инженерии UM и автор статьи. «Но мы надеемся вернуть квазикристаллы в мейнстрим. И эта работа намекает, что это можно сделать ».

Квазикристаллы, которые имеют упорядоченную структуру, но не повторяют структуру обычных кристаллов, могут быть изготовлены с целым рядом заманчивых свойств. Они могут быть сверхтвердыми или сверхскользкими. Они могут поглощать тепло и свет необычным образом и проявлять экзотические электрические свойства среди множества других возможностей.

Но производители, которые первыми начали коммерциализацию материала, вскоре обнаружили проблему — крошечные трещины между кристаллами, называемые границами зерен, которые вызывают коррозию, делая квазикристаллы подверженными разрушению. С тех пор коммерческая разработка квазикристаллов по большей части приостановлена.

Визуализация рентгеновской томографии показывает вид сбоку двух квазикристаллов, когда они начинают сливаться вместе во время охлаждения. Предоставлено: Shahani Group, Мичиганский университет.

Но новые результаты, полученные командой Шахани, показывают, что при определенных условиях маленькие квазикристаллы могут сталкиваться и сливаться вместе, образуя единый большой кристалл без каких-либо дефектов границ зерен, обнаруженных в группах более мелких кристаллов. Шахани объясняет, что это явление стало неожиданностью во время эксперимента по наблюдению за образованием материала.

«Похоже, что кристаллы восстанавливаются после столкновения, преобразовывая один тип дефекта в другой, который в конечном итоге полностью исчезает», — сказал он. «Это необычно, учитывая, что у квазикристаллов отсутствует периодичность».

Возникновение кристаллов

Кристаллы начинаются как твердые частицы в форме карандаша размером доли миллиметра, взвешенные в расплавленной смеси алюминия, кобальта и никеля, которые команда может наблюдать в режиме реального времени и в 3D с помощью рентгеновской томографии. По мере охлаждения смеси крошечные кристаллы сталкиваются друг с другом и сливаются вместе, в конечном итоге превращаясь в один большой квазикристалл, который в несколько раз больше, чем составляющие квазикристаллы.

Наблюдая за процессом в Аргоннской национальной лаборатории, команда виртуально воспроизвела его с помощью компьютерного моделирования. Запуская каждую симуляцию в немного разных условиях, они смогли определить точные условия, при которых крошечные кристаллы сольются в более крупные. Они обнаружили, например, что крошечные, похожие на карандаш кристаллы должны быть обращены друг к другу в определенном диапазоне выравнивания, чтобы столкнуться и слиться.

• Моделирование проводилось в лаборатории Шэрон Глотцер, заслуженного профессора инженерного дела Университета Джона Вернера Кана и автора-корреспондента статьи.
• «Это захватывающе, когда и эксперименты, и моделирование могут наблюдать одни и те же явления, происходящие в одних и тех же масштабах длины и времени», — сказал Глотцер.
• «Моделирование позволяет увидеть детали процесса кристаллизации, которые экспериментаторы не могут увидеть, и наоборот, так что только вместе мы сможем полностью понять, что происходит».

Хотя коммерциализация технологии, вероятно, займет годы, данные моделирования могут в конечном итоге оказаться полезными при разработке процесса эффективного производства крупных квазикристаллов в промышленных количествах. Шахани предвкушает использование спекания, хорошо известного промышленного процесса, при котором материалы плавятся вместе с использованием тепла и давления. Это далекая цель, но Шахани говорит, что новое исследование открывает новые возможности для исследований, которые однажды могут стать реальностью.

На данный момент Шахани и Глотцер работают вместе, чтобы больше узнать о квазикристаллических дефектах, в том числе о том, как они образуются, перемещаются и развиваются.

В исследовательскую группу также входит Брукхейвенская национальная лаборатория. Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Управлением науки, Офисом фундаментальных энергетических наук, номер премии DE-SC0019118.

Глотцер также является заведующим кафедрой химического машиностроения Энтони К. Лембке, профессором химического машиностроения Стюарта У. Черчилля и профессором материаловедения и инженерии, а также макромолекулярной науки и техники.

Источник

Метки: Материаловедение