显示两个准晶体的自上而下视图的图像

来源:©Shahani集团/密歇根大学

x射线断层扫描可视化显示了两个准晶体在冷却过程中开始融合在一起的自上而下视图

美国科学家发现,准晶体可以在不形成晶界的情况下生长在一起,前提是它们的晶格方向排列良好。研究人员希望他们的工作可以帮助准晶体在被发现25年后最终实现其全部潜力。

在完美的晶体中,原子以有序的、周期性的单位细胞排列。这种周期性不可避免地在结构中引入弱点面。然而在1984年,以色列理工学院的Dan Shechtman和他的同事们发现了准晶体,在准晶体中,原子形成了精细有序的排列,从不重复。这些材料,谁的发现为谢赫特曼赢得了2011年诺贝尔化学奖,应具有晶体材料的硬度,但无薄弱面。例如,准晶体已经在手术刀中找到了一些用途。

不幸的是,完美的准晶体极其难以制造。当晶体形成时,多个颗粒从不同的种子成核并向外生长,直到它们相遇。如果种子之间的间距与晶格的周期性不匹配,晶格不匹配时就会形成晶界。晶界会增加断裂和腐蚀的风险。因此,工程师们在衬底上种植晶体,以确保颗粒以理想的周期播种,并拼接成完美的晶体。准晶体中的问题,材料科学家解释道Ashwin Shahani密歇根大学安娜堡分校的一项研究发现,它不存在晶格周期性。他说:“两个准晶体总是彼此不相称,你自然会期望形成晶界。”这意味着大的准晶体很脆,化学性质不稳定。

Shahani和他的同事们正在用x射线断层扫描技术研究准晶体的形成,这时他们发现了一些意想不到的事情。他说:“在这个实验中,成核率非常高,因此增加了准晶体在生长过程中相互撞击的可能性。”研究人员惊奇地发现,当两个紧密排列的准晶体相遇时,它们通常会合并而不是形成晶界。

为了了解发生了什么,研究人员咨询了计算化学家沙龙Glotzer他也在密歇根大学(University of Michigan)。分子动力学模拟结果表明,当两个准晶体的错位小于10˚时,两个晶粒可以旋转到完美的对齐状态,剩余的晶格应变被完美晶格中不存在的准粒子相子消散。然而,当不对中大于10˚时,则会形成晶界。Shahani说:“作为实验家,我们现在可以在合成中使用这些见解,特别是在烧结中,我们故意引入具有低取向偏差的准晶体,从而促进单晶的形成。”

“我认为这是一篇好论文,”理论物理学家说迈克尔Widom教授宾夕法尼亚州卡内基梅隆大学教授。“我不知道这是否是一个惊人的突破,因为实验只看到一件事,然后进行模拟来解释实验。这个实验并没有直接证明模拟所显示的东西,但它是新颖的,据我所知,以前没有人对准晶体做过这种实验,这很有趣。他建议未来的工作可以集中在找出晶界的密度是否真的在10˚或10˚附近急剧跳跃——这应该可以用电子显微镜观察到。