(Phys.org) —La croissance est un phénomène omniprésent chez les plantes et les animaux. Mais il se produit aussi naturellement dans les produits chimiques, métaux et autres matières inorganiques. Ce fait a, depuis des décennies, un défi majeur pour les scientifiques et les ingénieurs, parce que le contrôle de la croissance au sein des matériaux est essentiel pour créer des produits aux propriétés physiques uniformes afin qu'ils puissent être utilisés comme composants de machines et d'appareils électroniques. Le défi a été particulièrement difficile lorsque les éléments constitutifs moléculaires des matériaux se développent rapidement ou sont traités dans des conditions difficiles telles que des températures élevées.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées UCLA Henry Samueli a développé un nouveau processus pour contrôler la croissance moléculaire au sein des composants « blocs de construction » des matériaux inorganiques. La méthode, qui utilise des nanoparticules pour organiser les composants lors d'une phase critique du processus de fabrication, pourrait conduire à de nouveaux matériaux innovants, tels que les roulements autolubrifiants pour moteurs, et cela pourrait rendre possible leur production en série.

L'étude a été publiée le 9 mai dans la revue Communication Nature .

Xiaochun Li, Chaire Raytheon de l'UCLA en ingénierie de fabrication et chercheur principal de la recherche, comparé le nouveau processus à la création des meilleures conditions pour que les plantes poussent dans un jardin.

"Dans la nature, certaines graines germent plus tôt que d'autres et les plantes grandissent, empêcher les pousses voisines de pousser en bloquant leur accès aux nutriments ou au soleil, " dit Li, qui est également professeur de génie mécanique et aérospatial. "Mais si les plantes plus précoces suivent un régime contrôlé qui limite leur croissance, les autres plantes auront de meilleures chances d'être en bonne santé, maximisant ainsi le rendement dans le jardin.

"Nous le faisons à l'échelle nanométrique, contrôler la croissance au niveau atomique en bloquant physiquement les agents de croissance pour obtenir des matériaux de haute performance avec une uniformité et d'autres propriétés souhaitées. C'est comme un contrôle de régime atomique pour la synthèse de matériaux."

La méthode utilise des nanoparticules auto-assemblantes qui contrôlent rapidement et efficacement les éléments constitutifs des matériaux au fur et à mesure qu'ils se forment pendant l'étape de refroidissement - ou de croissance - du processus de fabrication. Les nanoparticules sont constituées de matériaux thermodynamiquement stables (tels que le carbonitrure de titane céramique) et sont ajoutées et dispersées à l'aide d'une méthode de dispersion par ultrasons. Les nanoparticules s'assemblent spontanément en un revêtement mince, bloquant significativement la diffusion des matériaux.

La technique est efficace pour les matériaux inorganiques et organiques.

Dans leur étude, les chercheurs ont démontré que la méthode pouvait être utilisée pour les alliages aluminium-bismuth. Normalement, l'aluminium et le bismuth, comme l'huile et l'eau, ne peuvent pas être complètement mélangés. Bien qu'ils puissent être temporairement combinés à haute température, les éléments se séparent lorsque le mélange est refroidi, résultant en un alliage aux propriétés inégales. Mais, utilisant le procédé contrôlé par nanoparticules, l'équipe dirigée par l'UCLA a créé un alliage aluminium-bismuth uniforme et hautement performant.

« Nous contrôlons la nucléation et la croissance au cours du processus de solidification afin d'obtenir des microstructures uniformes et de taille fine, " dit Lianyi Chen, l'auteur principal de l'étude et un chercheur postdoctoral en génie mécanique et aérospatial. "Avec l'incorporation de nanoparticules, l'alliage aluminium-bismuth présente des performances 10 fois supérieures en termes de réduction des frottements, qui peut être utilisé pour fabriquer des moteurs avec une efficacité énergétique considérablement améliorée."

Li a déclaré que la nouvelle approche s'avérera utile dans un large éventail d'applications, incluant éventuellement des efforts pour limiter la croissance des cellules cancéreuses.

D'autres contributeurs à la recherche incluent Jiaquan Xu, un étudiant diplômé en ingénierie de l'UCLA ; Hongseok Choi et Hiromi Konishi, d'anciens boursiers postdoctoraux conseillés par Li alors qu'il faisait partie de la faculté de l'Université du Wisconsin à Madison; et Song Jin, professeur de chimie au Wisconsin.