(Phys.org) —La crescita è un fenomeno onnipresente nelle piante e negli animali. Ma si trova anche naturalmente nelle sostanze chimiche, metalli e altri materiali inorganici. Quel fatto ha, per decenni, ha rappresentato una grande sfida per scienziati e ingegneri, perché controllare la crescita all'interno dei materiali è fondamentale per creare prodotti con proprietà fisiche uniformi in modo che possano essere utilizzati come componenti di macchinari e dispositivi elettronici. La sfida è stata particolarmente fastidiosa quando i mattoni molecolari dei materiali crescono rapidamente o vengono lavorati in condizioni difficili come le alte temperature.

Ora, un team guidato da ricercatori dell'UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science ha sviluppato un nuovo processo per controllare la crescita molecolare all'interno dei componenti "mattoni" dei materiali inorganici. Il metodo, che utilizza le nanoparticelle per organizzare i componenti durante una fase critica del processo di fabbricazione, potrebbe portare a nuovi materiali innovativi, come cuscinetti autolubrificanti per motori, e potrebbe rendere possibile la loro produzione in serie.

Lo studio è stato pubblicato il 9 maggio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Xiaochun Li, La Raytheon Chair in Manufacturing Engineering dell'UCLA e il principale investigatore della ricerca, ha paragonato il nuovo processo alla creazione delle migliori condizioni per la crescita delle piante in un giardino.

"In natura, alcuni semi germogliano prima di altri e le piante crescono più grandi, impedendo la crescita dei germogli vicini bloccando il loro accesso ai nutrienti o alla luce solare, " disse Li, che è anche professore di ingegneria meccanica e aerospaziale. "Ma se le piante precedenti seguono una dieta controllata che ne limita la crescita, le altre piante avranno maggiori possibilità di essere sane, massimizzando la resa in giardino.

"Lo stiamo facendo su scala nanometrica, controllare la crescita a livello atomico bloccando fisicamente gli agenti di crescita per ottenere materiali ad alte prestazioni con uniformità e altre proprietà desiderate. È come un controllo della dieta atomica per la sintesi dei materiali".

Il metodo utilizza nanoparticelle autoassemblanti che controllano rapidamente ed efficacemente i mattoni dei materiali mentre si formano durante la fase di raffreddamento o crescita del processo di produzione. Le nanoparticelle sono realizzate con materiali termodinamicamente stabili (come il carbonitruro di titanio ceramico) e vengono aggiunte e disperse utilizzando un metodo di dispersione ultrasonica. Le nanoparticelle si assemblano spontaneamente come un rivestimento sottile, bloccando notevolmente la diffusione dei materiali.

La tecnica è efficace sia per i materiali inorganici che organici.

Nel loro studio, i ricercatori hanno dimostrato che il metodo potrebbe essere utilizzato per le leghe di alluminio-bismuto. Normalmente, alluminio e bismuto, come olio e acqua, non possono essere completamente miscelati. Sebbene possano essere temporaneamente combinati a fuoco vivo, gli elementi si separano quando la miscela si è raffreddata, risultando in una lega con proprietà irregolari. Ma, utilizzando il processo controllato da nanoparticelle, il team guidato dall'UCLA ha creato una lega di alluminio-bismuto uniforme e ad alte prestazioni.

"Stiamo controllando la nucleazione e la crescita durante il processo di solidificazione al fine di ottenere microstrutture uniformi e di dimensioni fini, " ha detto Lianyi Chen, l'autore principale dello studio e borsista post-dottorato in ingegneria meccanica e aerospaziale. "Con l'incorporazione di nanoparticelle, la lega alluminio-bismuto presenta prestazioni 10 volte migliori in termini di riduzione dell'attrito, che può essere utilizzato per realizzare motori con un'efficienza energetica notevolmente migliorata."

Li ha affermato che il nuovo approccio si rivelerà utile in un'ampia gamma di applicazioni, possibilmente includendo sforzi per limitare la crescita delle cellule tumorali.

Altri contributori alla ricerca includono Jiaquan Xu, uno studente laureato in ingegneria dell'UCLA; Hongseok Choi e Hiromi Konishi, ex studiosi post-dottorato consigliati da Li mentre era alla facoltà dell'Università del Wisconsin – Madison; e Song Jin, professore di chimica al Wisconsin.