Forskere bruger nanopartikler til at kontrollere væksten af ​​materialer

(Phys.org) —Vækst er et allestedsnærværende fænomen i planter og dyr. Men det forekommer også naturligt i kemikalier, metaller og andre uorganiske materialer. Det faktum har, i årtier, udgjorde en stor udfordring for videnskabsmænd og ingeniører, fordi styring af væksten i materialer er afgørende for at skabe produkter med ensartede fysiske egenskaber, så de kan bruges som komponenter i maskiner og elektroniske enheder. Udfordringen har især været irriterende, når materialernes molekylære byggesten vokser hurtigt eller bearbejdes under barske forhold som f.eks. høje temperaturer.

Nu, et hold ledet af forskere fra UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har udviklet en ny proces til at kontrollere molekylær vækst inden for "byggeklods"-komponenterne i uorganiske materialer. Metoden, som bruger nanopartikler til at organisere komponenterne i en kritisk fase af fremstillingsprocessen, kan føre til innovative nye materialer, såsom selvsmørende lejer til motorer, og det kunne gøre det muligt for dem at blive masseproduceret.

Undersøgelsen blev offentliggjort 9. maj i tidsskriftet Naturkommunikation .

Xiaochun Li, UCLA's Raytheon Chair in Manufacturing Engineering og den primære efterforsker af forskningen, sammenlignede den nye proces med at skabe de bedste betingelser for, at planter kan vokse i en have.

"I naturen, nogle frø spirer tidligere end andre, og planterne bliver større, forhindre nærliggende spirer i at vokse ved at blokere deres adgang til næringsstoffer eller solskin, " sagde Li, der også er professor i maskin- og rumfartsteknik. "Men hvis de tidligere planter er på en kontrolleret kost, der begrænser deres vækst, de andre planter vil have en bedre chance for at være sunde – maksimere udbyttet i haven.

"Vi gør dette på en nanoskala, kontrol af vækst på atomniveau ved fysisk at blokere vækstmidler for at opnå højtydende materialer med ensartethed og andre ønskede egenskaber. Det er som en atomisk kostkontrol til materialesyntese."

Metoden bruger selvsamlende nanopartikler, der hurtigt og effektivt styrer materialernes byggesten, når de dannes under afkølings- eller vækststadiet af fremstillingsprocessen. Nanopartiklerne er lavet af termodynamisk stabile materialer (såsom keramisk titaniumcarbonitrid) og tilsættes og dispergeres ved hjælp af en ultralydspredningsmetode. Nanopartiklerne samles spontant som en tynd belægning, blokerer væsentligt for spredning af materialerne.

Teknikken er effektiv til både uorganiske og organiske materialer.

I deres undersøgelse, forskere demonstrerede, at metoden kunne bruges til aluminium-bismuth-legeringer. Normalt, aluminium og vismut - som olie og vand - kan ikke blandes fuldstændigt. Selvom de midlertidigt kan kombineres under høj varme, elementerne adskilles, når blandingen afkøles, resulterer i en legering med ujævne egenskaber. Men, ved hjælp af den nanopartikel-kontrollerede proces, det UCLA-ledede team skabte en ensartet og højtydende aluminium-bismuth-legering.

"Vi kontrollerer nukleeringen og væksten under størkningsprocessen for at opnå ensartede og fine mikrostrukturer, " sagde Lianyi Chen, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og en postdoc i maskin- og rumfartsteknik. "Med inkorporering af nanopartikler, aluminium-bismuth-legeringen udviser 10 gange bedre ydeevne med hensyn til at reducere friktion, som kan bruges til at lave motorer med væsentligt forbedret energieffektivitet."

Li sagde, at den nye tilgang vil vise sig nyttig i en bred vifte af applikationer, eventuelt herunder bestræbelser på at begrænse væksten af ​​kræftceller.

Andre bidragydere til forskningen omfatter Jiaquan Xu, en UCLA-ingeniørstuderende; Hongseok Choi og Hiromi Konishi, tidligere postdoktorale forskere rådgivet af Li, mens han var på fakultetet ved University of Wisconsin – Madison; og Song Jin, en professor i kemi i Wisconsin.