Niezwykłe struktury atomowe zmienią przemysł 3D

Kwazikryształy w aluminium wzmacniają 3D-drukowane metale, dzięki czemu naukowcy odkrywają nowe możliwości materiałowe.

W świecie inżynierii materiałowej większość przełomów dokonuje się w ciszy – w laboratoriach, przy mikroskopach elektronowych, z dala od reflektorów. Tak było również w przypadku Andrew Iamsa, badacza z National Institute of Standards and Technology (NIST), który podczas analizy stopu aluminium odkrył coś niezwykłego, którym jest układ atomów, który nie przypominał niczego znanego z tradycyjnej krystalografii. To, co zobaczył, miało pięciokrotną symetrię obrotową, która jest charakterystyczną cechą kwazikryształów. Iams nie tylko znalazł tajemnicze struktury w stopie, ale jak się okazało, to właśnie one odpowiadały za jego nadzwyczajną wytrzymałość.

Kwazikryształy to materiały, które – wbrew zasadom klasycznej krystalografii – tworzą uporządkowane, ale niepowtarzalne wzory atomowe. Odkryte w latach 80. przez Dana Shechtmana (również podczas jego pracy w NIST), początkowo były uznawane za błąd eksperymentalny. Dziś wiemy, że ich istnienie jest faktem – i że mogą wprowadzić rewolucję w projektowaniu stopów metali. W klasycznych kryształach atomy są ułożone w sposób, który sprzyja poślizgowi warstw atomowych, a więc deformacjom. Kwazikryształy zakłócają ten porządek, zwiększając odporność metalu na odkształcenia.

Odkrycie Iamsa dotyczyło stopu aluminium z cyrkonem, który powstaje w procesie tzw. fuzji proszkowej – jednej z najpopularniejszych metod druku 3D metali. Proces polega na nanoszeniu cienkich warstw proszku i selektywnym ich stapianiu przy pomocy lasera. Choć metoda ta otworzyła drzwi do produkcji lekkich, wytrzymałych komponentów z aluminium (np. dla przemysłu lotniczego czy motoryzacyjnego), niesie ze sobą wyzwania – zwłaszcza związane z ekstremalnymi temperaturami. Aluminium w drukarce 3D poddawane jest temperaturze ponad 2 400°C, co prowadzi do nietypowych przemian mikrostrukturalnych. To właśnie w takich warunkach pojawiły się kwazikryształy, nadające stopowi wyjątkową wytrzymałość.

Dzięki badaniom zespołu z NIST wiemy już, że kwazikryształy mogą być pożądanym efektem, a nie tylko ciekawostką. Otwiera to zupełnie nowy kierunek projektowania materiałów – inżynierowie mogą celowo wprowadzać elementy sprzyjające tworzeniu tych struktur, by uzyskać metale o lepszych właściwościach mechanicznych. Takie podejście może znaleźć zastosowanie nie tylko w druku 3D, ale i w konwencjonalnej metalurgii, wszędzie tam, gdzie potrzebne są materiały lekkie, a zarazem wytrzymałe.

Odkrycie ma znaczenie praktyczne. Komponenty drukowane z wykorzystaniem nowych stopów mogą być stosowane w konstrukcjach samolotów, samochodów elektrycznych, wymiennikach ciepła czy satelitach. Dzięki wyższej wytrzymałości przy niższej masie możliwe będzie tworzenie bardziej efektywnych i lżejszych konstrukcji. To kluczowy element np. w lotnictwie, gdzie każdy gram ma znaczenie.

Podobne przykłady pokazują, że mikrostruktura materiału często decyduje o jego właściwościach. W 2022 roku zespół z MIT opracował „metamateriał” o strukturze inspirowanej krystaliczną siecią diamentu, który okazał się jednym z najlżejszych, a zarazem najtwardszych materiałów znanych nauce. Z kolei inżynierowie z ETH Zurich w 2023 roku wykazali, że odpowiednie rozmieszczenie pustych przestrzeni w strukturze ceramicznych materiałów może radykalnie zwiększyć ich odporność na uderzenia.

Choć przez dekady traktowane były jako ciekawostka naukowa, dziś kwazikryształy wracają jako klucz do nowoczesnej inżynierii materiałowej. Odkrycie zespołu NIST pokazuje, że odpowiednio dobrane warunki produkcji – w tym ekstremalne temperatury i szybkie chłodzenie charakterystyczne dla druku 3D – mogą prowadzić do powstawania struktur, które dotąd były rzadkością. W świecie, gdzie lekkość, wytrzymałość i precyzja liczą się jak nigdy wcześniej, takie mikrostrukturalne innowacje mogą stać się fundamentem nowych technologii.

A wszystko to zaczęło się od jednego spojrzenia pod mikroskop oraz atomów ułożonych pod kątem, którego nikt się nie spodziewał.

Szymon Ślubowski