神秘晶体解锁3D打印新世界 合金瑕疵问题有解

近年来3D金属打印，因其具有的快速制造复杂的轻质零件等优点，成为航空航天与汽车业的新宠，不过，部分金属粉末难以用于3D金属打印上。这次，美国科学家在合金中找到特殊晶体，有望改善合金在打印时容易出现瑕疵的问题。

航空航天和汽车等各行业会通过3D金属打印方式，制造出具有复杂几何形状的轻质零件，以提高材料效率和缩短整体生产周期。不过，铝金属与其它材料在高温和快速冷却上出现明显差异，导致成品微观结构容易出现不均匀的现象和细小裂缝，这严重影响产品的机械性和耐用性。

这次，美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）工程师安德鲁‧伊姆斯（Andrew Iams）与团队成员发现，3D打印铝合金属中的“准晶体”，是改善铝合金打印容易出现裂缝的关键。这项发现有望为新型铝合金的研究打开新世界，这项研究成果于4月发表在《合金和化合物杂志》（Journal Of Alloys And Compounds）上。

当时NIST研究团队通过电子显微镜观察铝锆（Zr）合金薄片，想知道是什么改善了铝的缺陷让它变得可以打印和坚固，是否存在影响合金强度的关键晶体。他们使用的铝锆合金是加州的一个实验团队于2017年开发，专为解决铝合金3D打印裂缝问题而设计。

过程中，NIST研究团队注意到原子的排列方式极为不寻常，与科学界认知的“传统晶体”不一样，但与先前以色列理工学院材料科学家丹‧谢赫特曼（Dan Shechtman）发现的“准晶体”极为相似。“准晶体”又称“拟晶”或“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的特殊固体。

实验人员发现，“准晶体”破坏了铝晶体的规则结构，使得原本完美的内部出现更多缺陷，从而强化金属的性能。原因在于它独特且非重复的原子排列方式，使它们填满整个金属内部空间，

他们还发现，这些准晶体具有五重旋转对称性，即旋转晶体时有五种角度看起来都相同。此外，该“准晶体”从两种不角度观测时，能显示它具有三重对称性和双重对称性。

目前，科学界公认的传统晶体图案大约只有230种，该种晶体是由原子或分子以重复模式构成的任何固体，像是常见的食盐。不过，这些传统晶体因完美结构，导致其内部的原子与原子容易产生滑动，让物体出现了弯曲、拉伸或断裂等现象。

NIST工程师安德鲁‧伊姆斯对NIST研究院的新闻室表示，“在发现之前，我很难相信有这种晶体是真的，直到通过显微镜观察材料时，才发现自己可能看到一种准晶体。这种五重对称性是一种准晶体的明显迹象，且非常罕见。”