金屬3D打印技術(shù)持續(xù)取得突破，尤其在提升航空航天與汽車工業(yè)零部件性能方面。近期，研究人員重點(diǎn)指出3D打印鋁合金中的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)：一種名為準(zhǔn)晶體的原子結(jié)構(gòu)。這類準(zhǔn)晶體具有獨(dú)特性。不同于食鹽等傳統(tǒng)晶體所具備的規(guī)則且重復(fù)的原子排列模式，準(zhǔn)晶體展現(xiàn)出截然不同的組織形式。其結(jié)構(gòu)雖能填充空間，卻始終不會(huì)重復(fù)完全相同的圖案。這種有序的無序特性可賦予材料特殊的機(jī)械性能，這也解釋了為何準(zhǔn)晶體在增材制造領(lǐng)域引發(fā)關(guān)注。

    研究員安德魯·艾姆斯在研究一種新型鋁合金樣本時(shí)，發(fā)現(xiàn)原子排列存在異常現(xiàn)象。通過與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的專家團(tuán)隊(duì)合作，他成功確認(rèn)這些異常結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)晶體。這種罕見結(jié)構(gòu)似乎具備提升合金強(qiáng)度的能力。

    彭羅斯平鋪圖案為準(zhǔn)晶體的特性提供了直觀說明。該圖案采用若干簡單幾何形狀，但通過組合可形成復(fù)雜設(shè)計(jì)，即使擴(kuò)展至較大規(guī)模，仍不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)圖案。

    基于這一發(fā)現(xiàn)，未來有望設(shè)計(jì)出新型增強(qiáng)鋁合金，并刻意利用準(zhǔn)晶體來提升材料性能。NIST團(tuán)隊(duì)不僅揭示了這些罕見結(jié)構(gòu)的存在，還證實(shí)其具備增強(qiáng)材料強(qiáng)度的功能。鋁在3D打印過程中屬于難以精準(zhǔn)控制的金屬類別。據(jù)NIST物理學(xué)家張帆介紹，目前性能最強(qiáng)的鋁材料在打印時(shí)易出現(xiàn)開裂問題，導(dǎo)致無法實(shí)際應(yīng)用。部分原因在于，鋁在打印過程中需被加熱至遠(yuǎn)超其熔點(diǎn)的高溫，這會(huì)改變其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。2017年，科學(xué)家成功開發(fā)出一種鋁鋯合金，該合金可實(shí)現(xiàn)3D打印且不會(huì)開裂。受此進(jìn)展啟發(fā)，NIST決定從原子尺度解析其結(jié)構(gòu)。正如張帆所言，理解原子排列方式對(duì)確保材料可靠性至關(guān)重要，尤其是當(dāng)材料需應(yīng)用于軍事航空等敏感領(lǐng)域時(shí)。研究結(jié)果表明，準(zhǔn)晶體在該合金的性能中扮演關(guān)鍵角色。金屬中過于規(guī)律的原子排列會(huì)降低其韌性，因其易引發(fā)內(nèi)部滑動(dòng)從而導(dǎo)致變形。準(zhǔn)晶體通過打破這種規(guī)律性，形成阻礙滑動(dòng)的區(qū)域，進(jìn)而提升材料的抗變形能力。