复活的类晶体：自愈现象使一种奇特的材料在商业上具有价值

自愈现象可以减少使类晶体不实用的缺陷。密歇根大学领导的一个研究小组的研究结果表明，一类曾经看起来似乎可能彻底改变从太阳能电池到煎锅的一切，但在21世纪初就不再受欢迎的材料，可能可以在商业上复活了。这项研究发表在《自然-通讯》上，它展示了一种制造比以前大得多的准晶体的方法，而没有困扰过去制造商的缺陷。

X射线断层成像显示了两个准晶体在冷却过程中开始融为一体的侧面图。

密歇根大学材料科学与工程和化学工程助理教授、论文通讯作者Ashwin Shahani说："工业界放弃准晶体的一个原因是它们充满了缺陷，但我们希望将准晶体重新带入主流。而这项工作暗示，它可以做到。"

准晶体具有有序的结构，但没有普通晶体的重复模式，可以被制造出一系列诱人的特性。它们可以是超硬的或超滑的。它们可以以不寻常的方式吸收热量和光线，并表现出奇特的电学特性，以及其他一系列的可能性。但是，最初将这种材料商业化的制造商很快就发现了一个问题--晶体之间的微小裂缝，即所谓的晶界，会招致腐蚀，使类晶体容易失效。从那时起，准晶体的商业开发大多被搁置了。

但是Shahani团队的新发现表明，在某些条件下，小的准晶体可以碰撞并融合在一起，形成一个单一的大晶体，且没有在小晶体组中发现的晶界缺陷。在一个旨在观察该材料的形成的实验中，这一现象让人感到惊讶。

他说："看起来晶体在碰撞后正在自我愈合，将一种类型的缺陷转化为另一种类型，最终完全消失，鉴于准晶体缺乏周期性，这很不寻常。"

晶体开始时是像铅笔一样的固体，尺寸只有几分之一毫米，悬浮在铝、钴和镍的熔融混合物中，研究小组可以使用X射线断层扫描技术实时和三维地观察到这些晶体。随着混合物的冷却，这些微小的晶体相互碰撞并融合在一起，最终演变成一个单一的大型准晶体，比组成的准晶体大几倍。

在阿贡国家实验室观察到这一过程后，该团队通过计算机模拟进行了虚拟复制。通过在略微不同的条件下运行每个模拟，他们能够确定在何种条件下微小的晶体会融合成较大的晶体。例如，他们发现，微小的铅笔状晶体必须在一定的排列范围内相互面对，以便碰撞和凝聚在一起。这些模拟实验是在约翰·沃纳·卡恩杰出大学工程教授、论文通讯作者Sharon Glotzer的实验室进行的。

Glotzer说："当实验和模拟都能观察到在相同的长度和时间尺度上发生的相同现象时，这很令人兴奋。模拟可以看到实验不能完全看到的结晶过程的细节，反之亦然，因此，只有在一起，我们才能完全理解正在发生的事情。"

虽然该技术的商业化可能还需要几年时间，但模拟数据最终可能被证明对开发一个有效地生产大型准晶体的生产规模的过程很有用。Shahani团队预计将使用烧结技术，这是一个众所周知的工业过程，材料通过热量和压力融合在一起。但这是一个遥远的目标，但Shahani说新的研究开辟了一条新的研究途径，有朝一日可以实现这一目标。

目前，Shahani和Glotzer正在一起工作，以了解更多关于准晶体缺陷的信息，包括它们如何形成、移动和演变。