加州大学洛杉矶分校的科学家使用纳米粒子来控制材料的分子生长

未引入纳米颗粒的铝铋合金（左侧，位于500微米处），并且在引入纳米颗粒之后，合金被冷却之前（右侧，位于50微米处）。加州大学洛杉矶分校/自然通讯

加州大学洛杉矶分校的科学家们开发了一种新工艺，该工艺使用纳米粒子来控制无机材料“基本组成部分”内的分子生长。

生长是植物和动物中普遍存在的现象。

但是它也自然存在于化学制品，金属和其他无机材料中。数十年来，这一事实对科学家和工程师构成了重大挑战，因为控制材料内部的生长对于创建具有统一物理特性的产品至关重要，这样它们就可以用作机械和电子设备的组件。当材料的分子构造块快速增长或在苛刻的条件下（例如高温）进行加工时，挑战尤为棘手。

现在，由加州大学洛杉矶分校亨利·萨穆利工程与应用科学学院的研究人员领导的团队开发了一种新的方法来控制无机材料“基本组成部分”中的分子生长。该方法使用纳米颗粒在制造过程的关键阶段组织组件，可以开发出创新的新材料，例如发动机自润滑轴承，并且可以大批量生产它们。

该研究发表在《自然通讯》杂志上。

加州大学洛杉矶分校雷声公司制造工程学系主任，该研究的首席研究员李晓春将新工艺与为植物在花园中生长的最佳条件进行了比较。

“在自然界中，有些种子比其他种子早发芽，并且植物长大，通过阻止营养或阳光的照射来阻止附近的新芽生长，”同时也是机械和航空航天工程学教授的李说。“但是，如果较早的植物采用可控制的饮食来限制其生长，则其他植物将更有健康的机会-最大限度地提高花园的产量。

“我们正在纳米级上做到这一点，通过物理阻止增长剂来控制原子级的增长，以获得具有均匀性和其他所需特性的高性能材料。”这就像是物质合成的原子饮食控制。

该方法使用自组装的纳米粒子，该纳米粒子在制造过程的冷却（或生长）阶段形成材料时迅速有效地控制材料的构造块。纳米颗粒由热力学稳定的材料（例如陶瓷碳氮化钛）制成，并使用超声分散方法添加和分散。纳米粒子自发地组装成薄涂层，从而显着阻止了材料的扩散。

该技术对无机和有机材料均有效。

在他们的研究中，研究人员证明了该方法可用于铝铋合金。通常，铝和铋（如油和水）不能完全混合。尽管它们可以在高温下暂时结合，但是当混合物冷却时，元素会分离，从而导致合金的性能不均匀。但是，由纳米粒子控制的过程，由加州大学洛杉矶分校（UCLA）领导的团队创​​建了一种均匀且高性能的铝铋合金。

该研究的主要作者，机械和航空航天工程的博士后学者陈连益说：“我们正在控制凝固过程中的形核和生长，以获得均匀且细小的微观结构。”“通过掺入纳米颗粒，铝铋合金在减少摩擦方面表现出了十倍的性能提高，可用于制造发动机，从而显着提高能源效率。”

李说，这种新方法将在广泛的应用中被证明是有用的，其中可能包括限制癌细胞生长的努力。

这项研究的其他贡献者包括加州大学洛杉矶分校的工程学研究生徐佳权；曾在美国威斯康星大学麦迪逊分校任教的李洪波博士，前博士后学者Hongseok Choi和Hiromi Konishi。以及威斯康星州化学教授宋进（Song Jin）。

该研究由美国国家标准技术研究院资助。

出版物：Chen Lian-Yi et al。，“纳米颗粒对相生长的快速控制”，《自然通讯》第5期，文章编号：3879； doi：10.1038 / ncomms4879

图像：加州大学洛杉矶分校/自然通讯