(Phys.org) —Tillväxt är ett allestädes närvarande fenomen hos växter och djur. Men det förekommer också naturligt i kemikalier, metaller och andra oorganiska material. Det faktum har, i årtionden, utgjorde en stor utmaning för forskare och ingenjörer, eftersom att kontrollera tillväxten inom material är avgörande för att skapa produkter med enhetliga fysikaliska egenskaper så att de kan användas som komponenter i maskiner och elektroniska enheter. Utmaningen har varit särskilt jobbig när materialens molekylära byggstenar växer snabbt eller bearbetas under tuffa förhållanden som höga temperaturer.

Nu, ett team ledd av forskare från UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har utvecklat en ny process för att kontrollera molekylär tillväxt inom "byggsten"-komponenterna i oorganiska material. Metoden, som använder nanopartiklar för att organisera komponenterna under en kritisk fas av tillverkningsprocessen, kan leda till innovativa nya material, såsom självsmörjande lager för motorer, och det skulle kunna göra det möjligt för dem att massproduceras.

Studien publicerades den 9 maj i tidskriften Naturkommunikation .

Xiaochun Li, UCLA:s Raytheon Chair in Manufacturing Engineering och huvudutredaren i forskningen, jämförde den nya processen med att skapa de bästa förutsättningarna för växter att växa i en trädgård.

"I naturen, vissa frön spirar tidigare än andra och plantorna blir större, förhindra närliggande groddar från att växa genom att blockera deras tillgång till näringsämnen eller solsken, sa Li, som också är professor i maskin- och flygteknik. "Men om de tidigare växterna har en kontrollerad diet som begränsar deras tillväxt, de andra växterna kommer att ha en bättre chans att bli friska – maximera avkastningen i trädgården.

"Vi gör det här på nanoskala, kontrollera tillväxt på atomnivå genom att fysiskt blockera tillväxtmedel för att erhålla högpresterande material med enhetlighet och andra önskade egenskaper. Det är som en atomär dietkontroll för materialsyntes."

Metoden använder sig av självmonterande nanopartiklar som snabbt och effektivt kontrollerar materialens byggstenar när de bildas under avkylnings- eller tillväxtstadiet av tillverkningsprocessen. Nanopartiklarna är gjorda av termodynamiskt stabila material (som keramisk titankarbonitrid) och tillsätts och dispergeras med hjälp av en ultraljudsdispersionsmetod. Nanopartiklarna samlas spontant som en tunn beläggning, blockerar avsevärt diffusionen av materialen.

Tekniken är effektiv för både oorganiska och organiska material.

I deras studie, forskare visade att metoden kunde användas för aluminium-vismutlegeringar. I vanliga fall, aluminium och vismut – som olja och vatten – kan inte blandas helt. Även om de tillfälligt kan kombineras under hög värme, elementen separeras när blandningen kyls, resulterar i en legering med ojämna egenskaper. Men, använder den nanopartikelkontrollerade processen, det UCLA-ledda teamet skapade en enhetlig och högpresterande aluminium-vismutlegering.

"Vi kontrollerar kärnbildningen och tillväxten under stelningsprocessen för att erhålla enhetliga och fina mikrostrukturer, sa Lianyi Chen, huvudförfattaren till studien och en postdoktor i maskin- och rymdteknik. "Med inkorporering av nanopartiklar, aluminium-vismutlegeringen uppvisar 10 gånger bättre prestanda när det gäller att minska friktionen, som kan användas för att tillverka motorer med avsevärt förbättrad energieffektivitet."

Li sa att det nya tillvägagångssättet kommer att visa sig användbart i ett brett spektrum av applikationer, eventuellt inklusive insatser för att begränsa tillväxten av cancerceller.

Andra bidragsgivare till forskningen inkluderar Jiaquan Xu, en UCLA-ingenjörsstudent; Hongseok Choi och Hiromi Konishi, tidigare postdoktorer som rådgivits av Li medan han var på fakulteten vid University of Wisconsin – Madison; och Song Jin, en professor i kemi i Wisconsin.