Wyniki sprawiają, że obca substancja jest komercyjnie opłacalna

Odkrycia zespołu badawczego kierowanego przez University of Michigan sugerują, że klasa materiałów, które wyglądały, jakby mogły zrewolucjonizować wszystko, od ogniw słonecznych po patelnie – ale wypadły z łask na początku XXI wieku – może dojrzała do komercyjnego odrodzenia.

Badanie, opublikowane w Nature Communications, pokazuje sposób na zrobienie quasikryształów znacznie większych niż było to możliwe wcześniej, bez wad, które nękały poprzednich producentów i doprowadziły do ​​wykluczenia quasikryształów jako ciekawostki intelektualnej.

„Jednym z powodów, dla których przemysł zrezygnował z kryształów półkrystalicznych, jest to, że są one pełne wad” – powiedział. Ashwin Shahani, adiunkt UM w zakresie inżynierii materiałowej, inżynierii i inżynierii chemicznej oraz autor korespondencyjny w artykule. Ale mamy nadzieję przywrócić półkrystaliczne kryształy do ​​głównego nurtu. A ta praca wskazuje, że można to zrobić”.

Quasi-kryształy, które mają uporządkowaną strukturę, ale nie powtarzają się wzory regularnych kryształów, można zsyntetyzować z szeregiem kuszących właściwości. Mogą być bardzo sztywne lub bardzo śliskie. Mogą pochłaniać ciepło i światło w nietypowy sposób i wykazywać dziwne właściwości elektryczne, a także wiele innych możliwości.

Jednak producenci, którzy jako pierwsi skomercjalizowali ten materiał, wkrótce odkryli problem — małe pęknięcia między kryształami, zwane granicami ziaren, które wywołują korozję, przez co quasi-kryształy są podatne na awarie. Komercyjny rozwój quasikryształów został od tego czasu zawieszony.

Jednak nowe odkrycia zespołu Shahaniego pokazują, że w pewnych warunkach małe quasikryształy mogą zderzać się i łączyć, tworząc jeden duży kryształ bez żadnych defektów granic ziaren występujących w skupiskach mniejszych kryształów. Shahani wyjaśnia, że ​​to zjawisko było zaskoczeniem podczas eksperymentu mającego na celu monitorowanie składu materii.

„Kryształy wydają się leczyć same po uderzeniu, przekształcając jeden rodzaj defektu w inny, który ostatecznie znika całkowicie” – powiedział. „To niezwykłe, biorąc pod uwagę, że quasikryształy nie mają okresowości”.

Kryształy zaczynają się jako milimetrowa bryła przypominająca ołówek zawieszona w stopionej mieszaninie aluminium, kobaltu i niklu, którą zespół może monitorować w czasie rzeczywistym oraz w 3D za pomocą tomografii rentgenowskiej. Gdy mieszanina ochładza się, małe kryształy zderzają się ze sobą i stapiają ze sobą, ostatecznie zamieniając się w pojedynczy duży quasikryształ kilka razy większy niż składowe quasikryształy.

Po zaobserwowaniu procesu w Argonne National Laboratory zespół zreplikował go wirtualnie za pomocą symulacji komputerowych. Przeprowadzając każdą symulację w nieco innych warunkach, byli w stanie określić dokładne warunki, w których mniejsze kryształy łączą się w większe kryształy. Odkryli na przykład, że małe, podobne do ołówka kryształy muszą być zwrócone do siebie w pewnym zakresie wyrównania, aby zderzyć się i połączyć. Symulacja została wykonana w laboratorium Sharon Glotzer, profesor Uniwersytetu Johna Wernera został wyróżniony w dziedzinie inżynierii i podobny autor w artykule.

„To ekscytujące, że zarówno eksperymenty, jak i symulacje są w stanie zaobserwować te same zjawiska zachodzące w tej samej skali długości i czasu” – powiedział Glotzer. „Symulacje pozwalają zobaczyć szczegóły procesu krystalizacji, których eksperymenty nie do końca widzą i na odwrót, dzięki czemu tylko razem możemy w pełni zrozumieć, co się dzieje”.

Chociaż komercjalizacja tej technologii prawdopodobnie minie wiele lat, dane symulacyjne mogą ostatecznie okazać się przydatne w opracowaniu procesu wydajnego wytwarzania dużych quasikryształów w ilościach na skalę produkcyjną. Shahani spodziewa się wykorzystać spiekanie, dobrze znany proces przemysłowy, w którym materiały są łączone za pomocą ciepła i ciśnienia. To nieuchwytny cel, ale Shahani mówi, że nowe badanie otwiera nową drogę do badań, które pewnego dnia mogą go osiągnąć.

Obecnie Shahani i Glotzer pracują razem, aby dowiedzieć się więcej o defektach quasi-kryształowych, w tym o tym, jak powstają, poruszają się i ewoluują.

Artykuł zatytułowany „Tworzenie pojedynczego quasi-kryształu po zderzeniu wielu ziaren”. W skład zespołu badawczego wchodzi również Brookhaven National Laboratory.

Badania były wspierane przez Departament Energii USA, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, numer nagrody DE-SC0019118.

Glotzer jest również przewodniczącym Wydziału Inżynierii Chemicznej Anthony’ego C. Lempkego, profesorem inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Stuarta W. Churchilla oraz profesorem materiałoznawstwa i inżynierii oraz makromolekularnej nauki i inżynierii.

DOI: 10.1038 / s41467-021-26070-9

Kino