Istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) otkrili su kvazikristale u 3D-tiskanim aluminijskim legurama. Ovi kvazikristali pokazali su se kao faktor jačanja metala, čineći ga prikladnijim za lagane dijelove koji trpe visoka naprezanja poput onih koji se koriste u zrakoplovima. Kvazikristali su prvi put otkriveni u NIST-u 1980-ih, što je predstavljalo proboj koji je izazvao dugogodišnja znanstvena uvjerenja i donijelo Nobelovu nagradu za kemiju 2011. godine.

Neobični uzorci na atomskoj razini

Tijekom ispitivanja komadića ispisane nove aluminijske legure pod elektronskim mikroskopom istraživači su primijetili da su na atomskoj razini atomi bili raspoređeni u nepravilnom uzorku koji nije slijedio tipičnu ponavljajuću strukturu većine kristala, što je bila naznaka da se možda radi o kvazikristalu. Pokazalo se da legura uistinu sadrži kvazikristale, rijetke atomske strukture koje se ne ponavljaju poput konvencionalnih kristala. Dodatno iznenađenje je bilo da ti kvazikristali zapravo povećavaju čvrstoću legure. Tim je objavio svoje nalaze u časopisu Journal of Alloys and Compounds.

Legura je nastala tijekom 3D ispisa metala za koji se u ovom slučaje koji koriste snažni laseri za spajanje metalnog praha u složene oblike.

Što su kvazikristali?

Kvazikristali su slični običnim kristalima, ali s nekoliko ključnih razlika. Tradicionalni kristal je svaka čvrsta tvar sastavljena od atoma ili molekula u ponavljajućim uzorcima. Kuhinjska sol je uobičajeni kristal, na primjer.

Postoji samo 230 mogućih načina na koje atomi mogu formirati ponavljajuće kristalne uzorke. Kvazikristali ne pripadaju nijednom od njih. Njihov jedinstveni oblik omogućuje im formiranje uzorka koji se nikada ne ponavlja.

Kada su prvi puta otkriveni 1980., kvazikristali su dočekani sa skepsom jer su mnogi znanstvenici u to vrijeme mislili da novi kristalni oblici nisu mogući prema normalnim pravilima za kristale.

Kako funkcionira 3D-tiskanje metala?

Najčešći način 3D-tiskanja metala je fuzija praškastog sloja. Metalni prah se ravnomjerno raspoređuje u tankom sloju. Zatim se snažni laser kreće preko praha, taleći praškaste čestice. Nakon što je prvi sloj završen, novi sloj praha se raspoređuje na vrh i proces se ponavlja. Sloj po sloj, laser tali prah u čvrsti oblik. Prednost 3D-ispisa dijelova je stvaranje oblika koje bi bilo nemoguće izraditi bilo kojom drugom metodom.  Jedno od ograničenja 3D-ispisa metala je da radi samo s nekolicinom metala, a posebno je problematična aluminij i njegove legure visoke čvrstoće koje je gotovo nemoguće ispisati jer obično razvijaju pukotine, što ih čini neupotrebljivima.

Ekstremne temperature stvaraju nova svojstva

Normalni aluminij tali se na relativno niskim temperaturama od oko 700 stupnjeva C, ali laseri u 3D-pisaču moraju podići temperaturu mnogo više: iznad točke vrenja metala, 2.470 stupnjeva C. Ovo mijenja mnoga svojstva metala, posebno jer se aluminij zagrijava i hladi brže od drugih metala.

Da se na ovaj način može dobiti aluminijska legura visoke čvrstoće otkriveno je prije nekoliko goda, kada je 2017., tim iz sa Sveučilišta u Kaliforniji Santa Barbara otkrio takvu aluminijsku leguru. Pokazalo se da dodavanje cirkonija aluminijskom prahu sprječava pucanje 3D-tiskanih dijelova, što rezultira jakom legurom.

Kvazikristali remete slabe točke

U metalima savršeni kristali su slaba točka jer pravilni uzorci olakšavaju atomima da skliznu jedni pored drugih. Kada se to dogodi, metal se savija, rasteže ili lomi. Kvazikristali razbijaju pravilni uzorak aluminijskih kristala, uzrokujući poželjne defekte koji čine metal jačim.

Idući stupanj istraživanja je dizajn novih  legura za 3D ispis.