密歇根大学 教授捕获的纳米海盗
沙哈尼的研究
学分:密歇根大学 几千年来，人类一直在将金属混合物从液体冷却到固体
但令人惊讶的是，人们对凝固过程中到底发生了什么知之甚少
尤其令人困惑的是共晶的凝固，共晶是两种或两种以上固相的混合物
密歇根大学材料科学与工程助理教授阿什温·沙哈尼(Ashwin Shahani)正致力于解开共晶凝固之谜，他的研究揭示了一个复杂而美丽的宇宙，由冷却金属合金中自发形成的纳米棒、片和螺旋组成
我们最近坐下来和他谈了他的最新论文，“自组织螺旋共晶的多步结晶”，以及它如何能导致新一代轻质合金和光学产品，其性能优于整体材料
是什么促使你去研究金属凝固？ 我认为这是大自然最了不起的壮举之一
这些复杂的图案是如何从无序的液体中自发形成的？为什么大自然会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快乐
为什么理解这些纳米级结构是如何形成的很重要？ 一种材料的纳米级结构会改变它的性质
因此，如果我们能够理解为什么一个给定的结构会形成，我们就可以设计一个制造过程来重建它，甚至改变它来构建我们想要的特定属性
例如，我们可以制造更轻、更强或者以某种方式弯曲光线的材料
那些新材料可以用来做什么？ 一种以某种方式弯曲光线的材料可以用来制作隐形涂层
你可以设计一个单一的金属片，它的表面有不同的特性——例如，一个机翼在某些地方更强，而在其他地方更轻
你可以制造更轻更省油的汽车部件
可能性是无穷无尽的
为什么我们不能用现有的制造方法来制造这些材料？ 我们可以，但是这非常困难和耗时
例如，如果我们想制造纳米级的螺旋图案，我们必须使用平版印刷来印刷每个微小的螺旋
这对于大规模生产来说是不切实际的
但是，如果你能通过不同的方式冷却液体或稍微改变其金属混合物来使这些螺旋自组装呢？这将使流程更快、更具可扩展性
如果人类已经使用凝固这么久了，为什么还没有人已经搞清楚这一点？ 因为在过去，这种研究依赖于将已经固化的材料切片，并在显微镜下观察
这让你对凝固是如何发生的只有非常有限的了解
我们使用多尺度和多模态成像技术的独特组合来创建凝固过程中实时发生的三维图像
它包括结合许多不同的成像技术，可以给我们一个从微米到单个原子的完整图像
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三维图像数据密集
这使得这成为一个大数据挑战和材料科学挑战
显然，拥有高水平的计算能力很重要，但是我们也引入了一些新的策略
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仅由两种成分组成，而是由多种元素混合而成
所以现在，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加入少量的另一种金属，那会如何改变形成的纳米级结构？这是理解并最终控制这些结构的又一步
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