Когда растущий кристалл сталкивается с препятствием, упорядоченному расположению атомов может потребоваться корректировка, которая создаёт дефекты решётки или крупномасштабные перестановки. Однако исследовательская группа обнаружила в ходе экспериментов, что необычные материалы, называемые квазикристаллами, могут спокойно переносить такие нарушения.
Особенности квазикристаллической решётки
Квазикристаллическая решётка, упорядоченная, но не периодическая, может приспосабливаться к препятствиям, не жертвуя своим порядком, благодаря уникальному типу перестройки, характерному для квазикристаллов.
Квазикристаллы, открытые в 1984 году, обычно представляют собой соединения, состоящие из таких металлов, как алюминий, никель и марганец. Рентгеновская дифракция показывает, что их атомные решётки имеют симметрии, которые не допускаются в обычных кристаллах, такие как пентагональная или декагональная симметрия. Но эти симметрии могут существовать в небольших областях, потому что квазикристаллы не являются обычными кристаллами — вы не можете сдвинуть атомную решётку в пространстве и затем наложить её точно на исходную решётку.
Преодоление препятствий
Если обычный кристалл сталкивается с чем-то, что нарушает его упорядоченную решётку по мере роста — например, с атомом примеси — нарушение периодичности может распространяться на большие расстояния через кристалл. Это может привести к крупномасштабным дефектам, таким как дислокации или границы зёрен между решётками с разными ориентациями. Такие дефекты могут действовать как слабые места, уязвимые к разрушению.
Предыдущие исследования показали, что, поскольку квазикристаллы не имеют идеального периодического порядка, они могут приспосабливаться к таким нарушениям, перестраивая свою решётку локально, без долгосрочных последствий.
Шарон Глоцер и её коллеги из Мичиганского университета в Анн-Арборе задались вопросом, насколько далеко можно зайти в адаптации растущего материала к большим, протяжённым препятствиям.
Исследование
Чтобы изучить, насколько большие нарушения могут выдержать фазоны, команда из Мичигана изучала влияние пор диаметром 10 мкм, проходящих через декагональный квазикристалл из алюминия, кобальта и никеля (Al₇₉Co₆Ni₁₅). Такие поры часто образуются, когда металлы и сплавы охлаждаются из жидкого состояния, поскольку они снимают напряжение, возникающее из-за меньшего объёма твёрдого вещества по сравнению с жидким.
Исследователи наблюдали за квазикристаллом с помощью рентгеновской микротомографии — метода, который объединяет рентгеновские изображения образца, расположенного во многих различных ориентациях, для создания трёхмерной картины.
Они обнаружили, что по мере роста квазикристаллов поры могут быть размещены без каких-либо признаков дефектов. «Мы видели, как фронт кристалла плавно огибает поры, не оставляя после себя постоянных «вмятин» или неровностей, что говорит о том, что любые внутренние нарушения быстро устраняются», — говорит Шахани.
В молекулярно-динамическом моделировании команда Глоцера обнаружила, что рост вокруг поры первоначально создаёт дефект, где два фронта роста сталкиваются на противоположной стороне поры. Но перестановки фазонного типа могут быстро «исцелить» такие нарушения.
«Наблюдаемое нами самовосстанавливающееся поведение предполагает, что квазикристаллы теоретически могут образовывать материалы, более устойчивые к препятствиям, таким как поры», — говорит Шахани. Такие препятствия «часто неизбежны при крупномасштабном литье и производстве».
Майкл Шмидеберг из Университета Эрлангена-Нюрнберга в Германии говорит, что работа представляет собой «важный крупный шаг» в демонстрации того, как фазоны, ранее известные своей способностью восстанавливать локальные дефекты, возникшие во время роста, могут выполнять эту роль и для очень больших нарушений и препятствий.
Филип Болл — независимый научный писатель из Лондона. Его последняя книга — «Как работает жизнь» (How Life Works).