Andrew Iams在电子显微镜下观察时看到了一些奇怪的东西。当时，他正在原子层面上检查一块新型铝合金的碎片，试图找到其强度的关键，这时他注意到原子排列成一种极为特殊的模式。“就在那时，我开始感到兴奋，”Iams表示，他是一名材料研究工程师，“因为我觉得自己可能正在观察一种准晶体。”
他不仅在该铝合金中发现了准晶体，而且他和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事们还发现，这些准晶体也使其更加坚固。他们将这一发现发表在了《Journal of Alloys and Compounds》上（DOI：10.1016/j.jallcom.2025.180281）。
这种合金是在金属3D打印的极端条件下形成的，这是一种制造金属零件的新方法。在原子层面上理解这种铝的特性，将使制造全新类别的3D打印零件成为可能，例如飞机部件、热交换器和汽车底盘。这也将为研究使用准晶体来增强强度的新型铝合金开辟道路。
准晶体是什么？
准晶体与普通晶体相似，但有几个关键区别。
传统晶体是由原子或分子以重复模式排列而成的任何固体。例如，食盐是一种常见的晶体。食盐的原子连接形成立方体，这些微小的立方体又连接形成足够大的立方体，可以用肉眼看到。
原子形成重复晶体图案的方式只有230种。准晶体不符合其中的任何一种。它们独特的形状使它们能够形成填充空间的图案，但永远不会重复。
准晶体是由以色列理工学院的材料科学家Dan Shechtman在20世纪80年代于NIST休假期间发现的。当时许多科学家认为他的研究存在缺陷，因为他发现的新晶体形状不符合晶体的正常规则。但通过仔细研究，谢赫特曼毫无疑问地证明了这种新型晶体的存在，彻底改变了晶体学的科学，并赢得了2011年的诺贝尔化学奖。
几十年后，在与Shechtman同一栋楼工作的Andrew Iams在3D打印铝中发现了他自己的准晶体。
金属3D打印如何工作？
金属3D打印有几种不同的方法，但最常见的一种称为“粉末床熔化”。其工作原理如下：金属粉末被均匀地铺成一层薄层。然后，一台强大的激光在粉末上移动，将其熔化在一起。在第一层完成后，新的粉末层被铺在上面，重复这一过程。激光逐层将粉末熔化成所需的形状。
3D打印能够制造出其他方法无法实现的形状。例如，2015年，GE公司为飞机发动机设计了燃料喷嘴，这种喷嘴只能通过金属3D打印制造。这种新型喷嘴是一个巨大的改进。其复杂的形状从打印机中出来时是一个轻质的整体部件。相比之下，之前的版本需要由20个独立部件组装而成，重量增加了25%。到目前为止，GE已经打印了数万个这样的燃料喷嘴，这表明金属3D打印可以在商业上取得成功。
金属3D打印的一个局限性在于它只能适用于少数几种金属。“高强度铝合金几乎不可能打印，”NIST的物理学家、论文的合著者Fan Zhang表示。“它们容易产生裂缝，这使得它们无法使用。”
为什么打印铝很难？
普通铝在大约700摄氏度的温度下熔化。3D打印机中的激光必须将温度提高到远高于这一温度：超过金属的沸点，即2470摄氏度。这会改变金属的许多特性，尤其是因为铝比其他金属加热和冷却得更快。
2017年，加州的HRL实验室和加州大学圣塔芭芭拉分校的一个研究小组发现了一种可以3D打印的高强度铝合金。他们发现，在铝粉中添加锆可以防止3D打印部件出现裂缝，从而制造出一种坚固的合金。
NIST的研究人员着手在原子层面上了解这种新的、可商业获得的3D打印铝-锆合金。“为了足够信任这种新金属，以便将其用于关键部件，如军用飞机零件，我们需要深入理解原子是如何组合在一起的，”Zhang表示。
NIST团队想知道是什么让这种金属如此坚固。事实证明，部分答案是准晶体。
准晶体如何使铝更强？
在金属中，完美的晶体结构较为脆弱。完美晶体的规律模式使原子更容易相互滑动。当这种情况发生时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体打破了铝晶体的规律模式，产生缺陷，从而使金属更加坚固。
识别准晶体的测量科学
当Iams从正确的角度观察这些晶体时，他发现它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种方式可以绕一个轴旋转晶体，使其看起来相同。
“五重对称性非常罕见。这是可能发现准晶体的一个明显迹象，”Iams表示。“但在我们完全确信之前，必须确保测量是正确的。”为了确认他们发现的是一种准晶体，Iams必须在显微镜下小心地旋转晶体，并证明它还具有三重对称性和从两个不同角度观察到的二重对称性。
“现在我们有了这一发现，我认为它将为合金设计开辟一种新方法，”Zhang表示。“我们已经证明准晶体可以使铝更强。现在人们可能会尝试在未来合金中故意制造准晶体。”
