随着熔融金属凝固而形成的纳米螺旋可能是新材料和隐形的关键

 
Shahani教授的研究捕获了纳米螺。信用：密歇根大学人类已经将金属混合物从液体冷却为固体已有数千年的历史了。但是令人惊讶的是，对于凝固过程中发生的确切情况知之甚少。特别令人困惑的是共晶的固化，它是两种或多种固相的混合物。
密歇根大学材料科学与工程学助理教授Ashwin Shahani致力于解决共晶凝固的奥秘，他的研究揭示了在冷却金属中自发形成的纳米级棒，片和螺旋的复杂而美丽的宇宙合金。
我们最近坐下来与他讨论了他的最新论文“自组织螺旋共晶的多步结晶”，以及它如何导致新一代轻质合金和光学产品的性能优于整体材料。
是什么促使您学习金属凝固的?
我认为这是自然界最杰出的壮举之一。这些精心设计的图案如何从无序的液体中自发形成?自然界为什么选择一种模式或配置而不是另一种?很多只是天生的好奇心和与我的学生分享的乐趣。
为什么了解这些纳米级结构的形成方式为何很重要?
材料的纳米级结构会改变其性能。因此，如果我们能够了解给定结构形成的原因，那么我们可以设计制造过程来重新创建它，甚至可以对其进行更改以构建所需的特定属性。例如，我们可以制造更轻或更强的材料，或以某种方式弯曲光的材料。
这些新材料可以用来做什么?
以某种方式弯曲光的材料可以用来制作不可见涂层。您可以设计单张金属，其表面特性各不相同，例如，飞机机翼在某些地方更坚固而在其他地方更轻。您可以制造更轻，更省油的汽车零部件。可能性几乎是无限的。
为什么我们不能使用现有的制造方法来制造这些材料?
我们可以，但是这非常困难且耗时。例如，如果要制造纳米级螺旋图案，则必须使用光刻技术印刷每个微小的螺旋。对于大规模制造而言，这是不切实际的。但是，如果仅通过不同程度地冷却液体或稍微改变其金属成分而导致这些螺旋自组装怎么办?这将使过程更快，更具可伸缩性。
如果人类使用固化已经这么久了，为什么还没有人想到呢?
因为在过去，这种研究依赖于将已经凝固的材料切成薄片并在显微镜下观察。这样一来，您对固化如何发生的了解就非常有限。
我们正在使用多尺度和多模式成像技术的独特组合来创建3D图像，以实时显示凝固过程中发生的情况。它涉及结合许多不同的成像技术，这些技术可以使我们从微米级的尺度一直到单个原子都能获得完整的图像。
结合所有这些技术有哪些挑战?
最大的挑战之一是高分辨率3D图像是如此的数据密集。这使得这既是大数据挑战，也是材料科学挑战。显然，拥有高水平的计算能力很重要，但是我们还介绍了一些新颖的策略。例如，我们已经开始使用机器学习算法来梳理我们的数据并找到值得注意的东西。
这项研究的下一步是什么?
大多数工程材料不仅包含两个组件，还包含一系列元素。因此，现在，我们正在研究化学如何影响固化过程。如果我向熔融混合物中添加少量其他金属，那将如何改变形成的纳米级结构?这是了解并最终控制这些结构的又一步。