En klass av material som en gång såg ut som om den kunde revolutionera allt från solceller till stekpannor – men som föll i onåd i början av 2000-talet – kunde vara redo för kommersiell återuppståndelse, rön från en University of Michigan-ledd forskargrupp tyder på.

Publicerad i Naturkommunikation , studien visar ett sätt att göra mycket större kvasikristaller än vad som var möjligt tidigare, utan de defekter som plågade tidigare tillverkare och ledde till att kvasikristaller avfärdades som en intellektuell kuriosa.

"En anledning till att industrin gav upp kvasikristaller är att de är fulla av defekter, sa Ashwin Shahani, U-M biträdande professor i materialvetenskap och teknik samt kemiteknik och motsvarande författare på tidningen. "Men vi hoppas kunna ta med kvasikristaller tillbaka till mainstream. Och det här arbetet antyder att det kan göras."

kvasikristaller, som har den ordnade strukturen men inte de återkommande mönstren av vanliga kristaller, kan tillverkas med en rad lockande egenskaper. De kan vara ultrahårda eller superhala. De kan absorbera värme och ljus på ovanliga sätt och uppvisar exotiska elektriska egenskaper, bland en mängd andra möjligheter.

Men tillverkarna som först kommersialiserade materialet upptäckte snart ett problem - små sprickor mellan kristaller, kallas korngränser, som inbjuder till korrosion, gör kvasikristaller mottagliga för fel. Kommersiell utveckling av kvasikristaller har mestadels lagts på hyllan sedan dess.

Men nya rön från Shahanis team visar att, under vissa förutsättningar, små kvasikristaller kan kollidera och smälta samman, bildar en enda stor kristall utan någon av de korngränsdefekter som finns i grupper av mindre kristaller. Shahani förklarar att fenomenet kom som en överraskning under ett experiment utformat för att observera materialets bildande.

"Det ser ut som att kristallerna läker sig själva efter kollision, omvandla en typ av defekt till en annan typ som så småningom försvinner helt, " sa han. "Det är extraordinärt, med tanke på att kvasikristaller saknar periodicitet."

Kristallerna börjar som blyertsliknande fasta ämnen som mäter en bråkdel av en millimeter, suspenderad i en smält blandning av aluminium, kobolt och nickel, som teamet kan observera i realtid och i 3D med hjälp av röntgentomografi. När blandningen svalnar, de små kristallerna kolliderar med varandra och smälter samman, slutligen omvandlas till en enda stor kvasikristall som är flera gånger större än de ingående kvasikristallerna.

Efter att ha observerat processen vid Argonne National Laboratory, teamet replikerade det virtuellt med datorsimuleringar. Genom att köra varje simulering under lite olika förhållanden, de kunde identifiera de exakta förhållandena under vilka de små kristallerna kommer att smälta samman till större. De hittade, till exempel, att de små pennliknande kristallerna måste vara vända mot varandra inom ett visst intervall av anpassning för att kollidera och sammansmälta. Simuleringarna utfördes i Sharon Glotzers labb, John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering och en motsvarande författare på tidningen.

"Det är spännande när både experiment och simuleringar kan observera samma fenomen som händer på samma längd och tidsskala, " Sa Glotzer. "Simuleringar kan se detaljer om kristalliseringsprocessen som experiment inte riktigt kan se, och vice versa, så att vi bara tillsammans kan förstå vad som händer."

Även om kommersialiseringen av tekniken sannolikt är år borta, Simuleringsdatan kan i slutändan visa sig vara användbar för att utveckla en process för att effektivt producera stora kvasikristaller i produktionsskaliga kvantiteter. Shahani förutser användningen av sintring, en välkänd industriell process där material smälts samman med hjälp av värme och tryck. Det är ett långt borta mål, men Shahani säger att den nya studien öppnar en ny forskningsväg som en dag kan få det att hända.

Tills vidare, Shahani och Glotzer arbetar tillsammans för att förstå mer om kvasikristalldefekter, inklusive hur de bildas, röra sig och utvecklas.

Uppsatsen har titeln "Formation av en enda kvasikristall vid kollision av flera korn." I forskargruppen ingår även Brookhaven National Laboratory.