Een klasse materialen die er ooit uitzag alsof het alles zou veranderen, van zonnecellen tot koekenpannen, maar begin jaren 2000 uit de gratie raakte, zou klaar zijn voor commerciële wederopstanding, bevindingen van een door de Universiteit van Michigan geleid onderzoeksteam suggereren.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de studie toont een manier aan om veel grotere quasikristallen te maken dan voorheen mogelijk was, zonder de gebreken die vroegere fabrikanten teisterden en ertoe leidden dat quasikristallen werden afgedaan als een intellectuele curiositeit.

"Een reden waarom de industrie quasikristallen heeft opgegeven, is omdat ze vol defecten zitten, " zei Ashwin Shahani, U-M-assistent-professor materiaalkunde en engineering en chemische technologie en een corresponderende auteur op het papier. "Maar we hopen quasikristallen terug in de mainstream te brengen. En dit werk laat doorschemeren dat het kan."

quasikristallen, die de geordende structuur hebben, maar niet de herhalende patronen van gewone kristallen, kan worden vervaardigd met een reeks aantrekkelijke eigenschappen. Ze kunnen ultrahard of superglad zijn. Ze kunnen op ongebruikelijke manieren warmte en licht absorberen en vertonen exotische elektrische eigenschappen, tussen tal van andere mogelijkheden.

Maar de fabrikanten die het materiaal voor het eerst op de markt brachten, ontdekten al snel een probleem:kleine scheurtjes tussen kristallen, korrelgrenzen genoemd, die uitnodigen tot corrosie, waardoor quasikristallen storingsgevoelig worden. De commerciële ontwikkeling van quasikristallen is sindsdien grotendeels opgeschort.

Maar nieuwe bevindingen van Shahani's team laten zien dat, onder bepaalde omstandigheden, kleine quasikristallen kunnen botsen en samensmelten, het vormen van een enkel groot kristal met geen van de onvolkomenheden in de korrelgrens die worden aangetroffen in groepen kleinere kristallen. Shahani legt uit dat het fenomeen als een verrassing kwam tijdens een experiment om de vorming van het materiaal te observeren.

"Het lijkt erop dat de kristallen zichzelf genezen na een botsing, het transformeren van het ene type defect in een ander type dat uiteindelijk helemaal verdwijnt, "zei hij. "Het is buitengewoon, gezien het feit dat quasikristallen geen periodiciteit hebben."

De kristallen beginnen als potloodachtige vaste stoffen van een fractie van een millimeter, gesuspendeerd in een gesmolten mengsel van aluminium, kobalt en nikkel, die het team in realtime en in 3D kan observeren met behulp van röntgentomografie. Terwijl het mengsel afkoelt, de kleine kristallen botsen met elkaar en versmelten samen, uiteindelijk veranderend in een enkel groot quasikristal dat meerdere malen groter is dan de samenstellende quasikristallen.

Na het proces te hebben geobserveerd in het Argonne National Laboratory, het team repliceerde het virtueel met computersimulaties. Door elke simulatie onder enigszins verschillende omstandigheden uit te voeren, ze waren in staat om de exacte omstandigheden te identificeren waaronder de kleine kristallen zullen versmelten tot grotere. Ze vonden, bijvoorbeeld, dat de kleine potloodachtige kristallen naar elkaar gericht moeten zijn binnen een bepaald bereik van uitlijning om te botsen en samen te smelten. De simulaties zijn uitgevoerd in het lab van Sharon Glotzer, de John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering en een corresponderende auteur op het papier.

"Het is opwindend wanneer zowel experimenten als simulaties dezelfde verschijnselen kunnen waarnemen die plaatsvinden op dezelfde lengte- en tijdschalen, Glotzer zei. "Simulaties kunnen details van het kristallisatieproces zien die experimenten niet helemaal kunnen zien, en vice versa, zodat we alleen samen volledig kunnen begrijpen wat er gebeurt."

Hoewel de commercialisering van de technologie waarschijnlijk jaren op zich laat wachten, de simulatiegegevens kunnen uiteindelijk nuttig zijn bij het ontwikkelen van een proces om op efficiënte wijze grote quasikristallen te produceren in hoeveelheden op productieschaal. Shahani anticipeert op het gebruik van sinteren, een bekend industrieel proces waarbij materialen met hitte en druk worden samengevoegd. Het is een verre doel, maar Shahani zegt dat de nieuwe studie een nieuwe weg van onderzoek opent die het ooit zou kunnen laten gebeuren.

Voor nu, Shahani en Glotzer werken samen om meer te begrijpen over quasikristaldefecten, inclusief hoe ze zich vormen, bewegen en evolueren.

Het artikel is getiteld "Vorming van een enkel quasikristal bij botsing van meerdere korrels." Het onderzoeksteam omvat ook Brookhaven National Laboratory.