「不該存在的晶體」現身3D列印金屬 改寫材料科學遊戲規則

曾被學界視為不可能存在的「準晶體」，如今竟意外現身於3D列印的鋁合金中，更驚人的是它讓材料強度大幅提升！這項突破可能徹底改變航太與汽車零元件的設計方式。

美國國家標準技術研究院(NIST)的材料工程師安德魯·伊姆斯，當他在電子顯微鏡下觀察新型鋁合金切片時，發現原子排列呈現極不規則的圖案——完全不符合傳統晶體的週期性結構。「那刻我整個人都沸騰了」，伊姆斯回憶道：「因為我可能發現了傳說中的準晶體！」

後續研究證實了他的直覺。這支NIST團隊在《合金與化合物期刊》發表論文，確認這種透過金屬3D列印形成的合金含有準晶體。這種特殊原子結構不僅罕見，更意外地強化了材料效能，為工業應用開啟全新可能性。

所謂金屬3D列印，是透過高功率雷射將金屬粉末熔融堆疊成形的製造技術。目前最普遍的「粉床熔融法」是這樣運作的：先均勻鋪設金屬粉末薄層，雷射束依設計路徑熔融特定區域，接著鋪設新粉層重複過程，最終堆疊出立體物件。

這項技術能實現傳統工藝無法做到的複雜結構。例如GE航空2015年推出的飛機引擎燃油噴嘴，整體重量減輕25%，從原本需要20個零件組裝，進化成單件式輕量化設計，至今已量產數萬組，證明金屬3D列印的商業潛力。

但技術仍有瓶頸，NIST物理學家張凡（論文共同作者）指出：「高強度鋁合金幾乎無法3D列印，容易產生裂紋報廢。」這是因為鋁的熔點約700°C，但3D列印時雷射需加熱至2470°C沸點以上，急遽溫變會改變材料特性。

轉機出現在2017年，加州HRL實驗室與加大聖塔芭芭拉分校團隊發現，在鋁粉中新增鋯元素能有效防止列印裂紋。NIST團隊此次便是針對這種市售鋁鋯合金，展開原子級結構解析。「要將新材料用於軍用航太零件，必須徹底掌握其微觀結構。」張凡強調。

關鍵突破點在於：完美晶體其實強度不佳，規則排列的原子容易滑移導致變形。而準晶體就像混入晶格的不規則音符，打亂了鋁晶體的週期排列，反而強化材料。伊姆斯從特定角度觀察時，更發現晶體具有五重旋轉對稱性——這是準晶體的典型特徵，就像完美五角形無論轉72度、144度等五種角度都會重合。

「現在我們證實準晶體能強化鋁合金，未來設計新合金時就能刻意匯入這種結構。」張凡表示這項發現將開啟材料研發新思路。有趣的是，NIST正是1980年代丹·謝赫特曼首度發現準晶體的研究機構，當時學界普遍質疑這種「犯規」的晶體結構，直到他2011年榮獲諾貝爾化學獎才獲平反。如今在同棟建築裡，準晶體再次改寫材料科學的歷史。