(Phys.org) -Groei is een alomtegenwoordig fenomeen bij planten en dieren. Maar het komt ook van nature voor in chemicaliën, metalen en andere anorganische materialen. Dat feit heeft, al decenia, vormde een grote uitdaging voor wetenschappers en ingenieurs, omdat het beheersen van de groei in materialen van cruciaal belang is voor het maken van producten met uniforme fysieke eigenschappen, zodat ze kunnen worden gebruikt als componenten van machines en elektronische apparaten. De uitdaging was vooral vervelend wanneer de moleculaire bouwstenen van de materialen snel groeien of worden verwerkt onder zware omstandigheden zoals hoge temperaturen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van onderzoekers van de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science heeft een nieuw proces ontwikkeld om de moleculaire groei binnen de "bouwsteen" -componenten van anorganische materialen te beheersen. De methode, die nanodeeltjes gebruikt om de componenten te organiseren tijdens een kritieke fase van het productieproces, kan leiden tot innovatieve nieuwe materialen, zoals zelfsmerende lagers voor motoren, en het zou het mogelijk kunnen maken dat ze in massa worden geproduceerd.

De studie werd op 9 mei gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Xiaochun Li, UCLA's Raytheon Chair in Manufacturing Engineering en de hoofdonderzoeker van het onderzoek, vergeleek het nieuwe proces met het creëren van de beste omstandigheden voor planten om in een tuin te groeien.

"In de natuur, sommige zaden ontkiemen eerder dan andere en de planten worden groter, voorkomen dat nabijgelegen spruiten groeien door hun toegang tot voedingsstoffen of zonneschijn te blokkeren, " zei Li, die ook hoogleraar werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek is. "Maar als de eerdere planten een gecontroleerd dieet volgen dat hun groei beperkt, de andere planten hebben een grotere kans om gezond te zijn, waardoor de opbrengst in de tuin wordt gemaximaliseerd.

"We doen dit op nanoschaal, het beheersen van de groei op atomair niveau door groeimiddelen fysiek te blokkeren om hoogwaardige materialen met uniformiteit en andere gewenste eigenschappen te verkrijgen. Het is als een atomaire dieetcontrole voor materiaalsynthese."

De methode maakt gebruik van zelfassemblerende nanodeeltjes die snel en effectief de bouwstenen van de materialen controleren terwijl ze zich vormen tijdens de afkoelings- of groeifase van het productieproces. De nanodeeltjes zijn gemaakt van thermodynamisch stabiele materialen (zoals keramisch titaniumcarbonitride) en worden toegevoegd en gedispergeerd met behulp van een ultrasone dispersiemethode. De nanodeeltjes assembleren spontaan als een dunne coating, diffusie van de materialen aanzienlijk blokkeren.

De techniek is effectief voor zowel anorganische als organische materialen.

In hun studie hebben onderzoekers toonden aan dat de methode kan worden gebruikt voor aluminium-bismutlegeringen. Normaal gesproken, aluminium en bismut, zoals olie en water, kunnen niet volledig worden gemengd. Hoewel ze tijdelijk kunnen worden gecombineerd onder hoge hitte, de elementen scheiden wanneer het mengsel wordt afgekoeld, resulterend in een legering met ongelijke eigenschappen. Maar, met behulp van het door nanodeeltjes gecontroleerde proces, het door de UCLA geleide team creëerde een uniforme en hoogwaardige aluminium-bismutlegering.

"We controleren de kiemvorming en groei tijdens het stollingsproces om uniforme en fijne microstructuren te verkrijgen, " zei Lianyi Chen, de hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. "Met opname van nanodeeltjes, de aluminium-bismut legering vertoont 10 keer betere prestaties in termen van vermindering van wrijving, die kunnen worden gebruikt om motoren te maken met een aanzienlijk verbeterde energie-efficiëntie."

Li zei dat de nieuwe aanpak nuttig zal zijn in een breed scala aan toepassingen, mogelijk inclusief inspanningen om de groei van kankercellen te beperken.

Andere bijdragen aan het onderzoek zijn Jiaquan Xu, een UCLA-ingenieursstudent; Hongseok Choi en Hiromi Konishi, voormalige postdoctorale geleerden geadviseerd door Li terwijl hij op de faculteit van de Universiteit van Wisconsin - Madison was; en Song Jin, een professor in de chemie in Wisconsin.