3D列印金屬驚現「準晶體」結構 強度突破性提升
美國國家標準暨技術研究院(NIST)的材料研究工程師安德魯·艾姆斯，日前在電子顯微鏡下發現了一個驚人現象。當他觀察新型鋁合金的原子結構時，意外發現原子排列呈現極不尋常的圖案。
「那一刻我整個人都興奮起來了，」艾姆斯回憶道，「因為我可能發現了準晶體！」更令人振奮的是，研究團隊證實這些準晶體正是讓合金強度大增的關鍵。這項突破性發現已發表於《合金與化合物期刊》。
這種特殊合金是在3D金屬列印的極端條件下形成的。透過原子級別的分析，科學家將能開發出全新世代的3D列印零件，包括飛機部件、熱交換器和汽車底盤等。這項發現也為開發以準晶體強化結構的新型鋁合金開啟了大門。
準晶體與傳統晶體最大的差異在於其獨特的原子排列方式。研究團隊發現的準晶體呈現20面體結構，這種結構具有五重、三重和二重旋轉對稱性。相較於食鹽等傳統晶體的重複性立方結構，準晶體的原子排列雖然能填滿空間，卻永遠不會重複。
事實上，準晶體的概念在1980年代由以色列理工學院的丹·謝赫特曼首次提出時，曾遭到學界強烈質疑。直到2011年，謝赫特曼才憑藉這項革命性發現獲得諾貝爾化學獎肯定。
現今最常見的3D金屬列印技術是粉末床熔融法。這種技術透過雷射逐層熔融金屬粉末，能夠製造出傳統工藝無法實現的複雜結構。例如GE航空在2015年開發的飛機引擎燃油噴嘴，就是3D列印技術的經典應用案例。
然而，3D金屬列印目前仍面臨材料限制。NIST物理學家張凡指出：「高強度鋁合金幾乎無法用3D列印，因為容易產生裂紋。」2017年，加州HRL實驗室團隊發現新增鋯元素能有效防止3D列印鋁合金開裂。
NIST團隊進一步研究發現，正是這些準晶體破壞了鋁合金原有的規則晶體結構，產生的缺陷反而讓材料更加堅固。艾姆斯透過多角度觀察，確認了準晶體特有的五重對稱性特徵。
「這項發現將為合金設計開闢全新途徑，」張凡表示，「未來科學家可以嘗試在合金中刻意製造準晶體結構，以獲得更好的機械效能。」這項突破性研究，可望為航太、汽車等產業帶來革命性的材料解決方案。
