Во время изучения нового алюминиевого сплава под электронным микроскопом материаловед и инженер Эндрю Айамс заметил нечто необычное: атомы в образце сформировали узор, который не подчинялся известным законам кристаллографии. Это был момент озарения — ученый понял, что, возможно, он видит перед собой квазикристалл.
Квазикристаллы — очень редкое и удивительное состояние твердого вещества. В отличие от обычных кристаллов, где атомы выстраиваются в строгую, регулярно повторяющуюся структуру, такой материал заполняет пространство узором, который никогда не повторяется, но при этом сохраняет свой порядок. Открытие квазикристаллического состояния в 80-х годах прошлого века изначально вызвало скепсис в научном сообществе, но благодаря работам ученого Дана Шехтмана, который его обнаружил, причем именно в стенах NIST, они были признаны новым классом материалов. За свое открытие в 2011 году ученый получил Нобелевскую премию по химии.
Спустя десятилетия Айамс и его коллеги в том же институте нашли квазикристаллы в алюминиевом сплаве, созданном с помощью металлической 3D-печати — технологии, которая уже меняет промышленность. Наблюдение переросло в исследование, которое показало, что квазикристаллы не только образуются при экстремальных условиях лазерной печати металла, но и значительно повышают прочность напечатанного металла.
3D-печать металлов, особенно методом плавления в порошковом слое, позволяет создавать детали геометрически настолько сложные, что никакими традиционными методами их создать невозможно. При этом печать с использованием алюминия до недавнего времени была практически невозможна — этот металл легко трескается из-за резких перепадов температуры. Ситуация изменилась в 2017 году, когда ученые из HRL Laboratories обнаружили, что добавление циркония предотвращает растрескивание. Именно этот алюминий-циркониевый сплав и стал объектом изучения Айамса и его коллег из NIST.
Ученые хотели понять, почему новый сплав оказался таким прочным. Причина, как оказалось, заключается в уникальной атомной структуре — квазикристаллы нарушают регулярную кристаллическую решетку и препятствуют скольжению атомов друг относительно друга. Это повышает устойчивость металла к деформациям — и, как следствие, его прочность.
Чтобы подтвердить, что они действительно имеют дело с квазикристаллом, ученым пришлось детально исследовать симметрию структуры. Наличие пятеричной симметрии — крайне редкое явление — стало первым указанием на квазикристаллическую природу материала. Но для полной уверенности пришлось зафиксировать также тройную и двойную симметрии под разными углами.
Это открытие может стать началом новой эры в разработке алюминиевых сплавов. По словам соавтора работы, физика Фан Чжана, теперь инженеры смогут целенаправленно создавать материалы с квазикристаллами, обладающие уникальными механическими свойствами. Такие сплавы можно будет применять в самых ответственных отраслях — от военной авиации до космических систем.
Ученые продолжают эксперименты, в ходе которых они собираются получить квазикристаллы в других сплавах, проанализировать их и выяснить, как их свойства могут быть использованы на благо технологий будущего.
Ранее в МАИ разработали технологию сверхпрочной 3D-печати авиатехники и протезов.
