斑马条纹，豹子斑点和其他图案在冷冻金属合金的皮肤上，违背了传统的冶金

“条纹斑马，斑点豹，……”孩子们永远不会厌倦根据动物独特的身体模式来精确定位它们。虽然生物的皮肤上有独特的图案是令人着迷的，但更神秘的是它们与冷冻液态金属的皮肤惊人的相似。

图案形成是科学家们思考了几个世纪的自然奇迹之一的经典例子。1952年左右，著名数学家艾伦·图灵(现代计算机之父)提出了一个概念模型来解释两种物质系统的模式形成过程。这种模式后来也被称为图灵模式。

图案形成也通常被人造系统所采用，在冶金领域尤其如此。它甚至有一个子领域叫做“金相学”，专门研究金属和合金的微观模式和成分。如果你把一个多组分合金拆开，观察它的横截面，你很有可能会看到不同金属成分的交替条纹或排列斑点，就像斑马或豹子皮肤上的图案的微观版本。然而，尽管人们对液态金属合金的核心及其体凝固模式有了古老的认识，但迄今为止，液态金属合金的表面模式形成现象一直被忽视。

在杂志上发表的一篇文章中自然纳米技术来自悉尼新南威尔士大学(UNSW)的研究人员及其来自奥克兰大学(MacDiarmid研究所)、RMIT和加州大学洛杉矶分校的合作者发现，在凝固的金属合金表面出现了不同类型的图案。研究小组使用了双组分金属混合物，比如含有少量铋的镓基合金。这些合金易于在手中熔化，从而便于实验观察和控制。

“我们可以在普通光学显微镜下观察表面凝固过程，当我第一次看到液态金属表面的凝固前沿在它后面形成固体图案时，我感到震惊，”该工作的主要作者唐剑波博士说。“你可以想象冰川在海洋表面移动的场景，但在我们的显微镜下看到的一切都是金属和微观的。”唐博士补充道。

为了观察金属冰川的更精细的细节，研究人员使用了电子显微镜，观察到一个高度有序的图案万花筒，包括交替条纹、弯曲纤维、点阵列和一些奇特的条纹-点杂交。令人惊讶的是，研究小组发现，当这些图案形成时，低浓度元素铋在表面区域的丰度大大增加。在这项研究中发现的这种表面富集违背了传统的冶金认识。

研究人员将这种新观察到的凝固现象背后的魔力与液态金属独特的表面结构联系起来，他们还使用超级计算机来模拟这一过程。在他们的计算机模拟中，数量很少的铋原子，似乎在镓原子的海洋中随机移动，被观察到积聚在合金表面。

“这种以前被忽视的表面凝固现象提高了我们对液态金属合金及其相变过程的基本理解。此外，这种自主的表面过程可以用作设计金属结构的图形工具，并为未来电子和光学的高级应用创建设备。该研究的通讯作者库罗什·卡兰塔尔-扎德(Kourosh Kalantar-Zadeh)教授说。

新南威尔士大学和MacDiarmid先进材料和纳米技术研究所之间的合作是由澳大利亚研究委员会(ARC)卓越未来低能电子技术中心(FLEET)建立的。

这项研究

液态金属合金凝固过程中出现的独特表面图案发表于自然纳米技术2021年1月18日(DOI 10.1038/s41565-020-00835-7)

作者:唐剑波，Stephanie Lambie, Nastaran Meftahi, Andrew J. Christofferson, Jiong Yang, Mohammad B. Ghasemian, jialoo Han, Francois‐Marie Allioux, Md. Arifur Rahim, Mohannad Mayyas, Torben Daeneke, Chris F. McConville, Krista G. Steenbergen, Richard B. Kaner, Salvy P. Russo, Nicola Gaston, Kourosh Kalantar-Zadeh

更多的信息

• 联系Kourosh Kalantar-Zadeh教授(电子邮件:k.kalantar-zadeh@unsw.edu.au）
• 联系唐建波博士(电子邮件:jianbo.tang@unsw.edu.au）

媒体

以上所有图片和视频都链接到高分辨率文件

所有媒体仅供与此故事有关的出版物使用