_ Freeze casting —un ghid pentru crearea de materiale structurate ierarhic

Freeze turning este o tehnică de fabricație elegantă și rentabilă pentru a produce materiale foarte poroase cu arhitecturi ierarhice proiectate personalizat, orientare bine definită a porilor și structuri de suprafață multifuncționale. Materialele turnate prin congelare sunt potrivite pentru multe aplicații, de la biomedicină la ingineria mediului și tehnologiile energetice.

Un articol din Nature Reviews Methods Primers oferă acum un ghid pentru metodele de turnare prin congelare care include o privire de ansamblu asupra prezentului și viitorului. aplicații și evidențiază tehnicile de caracterizare cu accent pe tomoscopia cu raze X.

„Am fost încântați când revista Nature ne-a oferit oportunitatea de a pregăti un [Primer] cu instrucțiuni și o prezentare generală a procesului”, spune Prof. Ulrike Wegst (Universitatea de Nord-Est, Boston, MA, S.U.A. și TU Berlin).

„Împreună cu experții în tomoscopie Dr. Francisco García-Moreno și Dr. Paul Kamm (atât HZB, cât și TU Berlin) , Dr. Kaiyang Yin (acum Humboldt Research Fellow la Universitatea din Freiburg) și eu tocmai am efectuat primele experimente in situ și am descoperit noi fenomene de creștere a cristalelor de gheață și de a se combina în ghidul nostru de Freeze Casting metode de turnare prin congelare cu tehnici de analiză a proceselor și a materialelor."

După o introducere în diferitele procese de turnare prin congelare discontinuă și continuă și o scurtă prezentare a liofilizării (uscarea prin congelare), Primer oferă o privire de ansamblu asupra numeroasele tehnici de caracterizare pentru analiza arhitecturii materialelor complexe, ierarhice și a proprietăților materialelor.

Evidențiate sunt capabilitățile și punctele forte unice ale tomoscopiei cu raze X, care permite analiza creșterii cristalelor și a dinamicii formării structurii. în toate clasele de materiale (polimeri, ceramică, metale și compozitele acestora) în timpul solidificării în timp real și 3D.

„Acest lucru este deosebit de atractiv atunci când dorim să cuantificăm creșterea cristalelor anizotrope, cum ar fi cea în apă apoasă. soluții și șlamuri, în care cristalele se extind în diferite direcții ale cristalelor la viteze diferite”, spune García-Moreno.

Procedeul de turnare prin congelare a fost dezvoltat cu mai bine de 40 de ani în urmă pentru producerea de schele de țesut. Curând a devenit evident că materialele congelate, datorită structurii lor extrem de poroase, s-ar putea integra bine cu țesuturile gazdă și ar putea sprijini procesele de vindecare.

Astăzi, materialele congelate sunt utilizate pe scară largă nu numai în biomedicină, ci și în inginerie, de la catalizatori inovatori la electrozi foarte poroși pentru baterii sau pile de combustibil. O mare varietate de solvenți, substanțe dizolvate și particule pot fi utilizate pentru a crea structurile, formele și funcționalitățile dorite.

Cum funcționează turnarea prin congelare?

În primul rând, o substanță este dizolvată sau suspendată într-un solvent, aici apă, și pus într-o matriță. Apoi o viteză de răcire bine definită este aplicată pe fundul matriței de cupru pentru a solidifica direcțional proba. La solidificare, are loc o separare a fazelor într-un solvent pur, aici gheață, și un dizolvat și particule, cu gheața modelând faza de solut/particule.

Odată ce proba a fost complet solidificată, solventul solid este îndepărtat prin sublimare în timpul liofilizării. Liofilizarea dezvăluie schela extrem de poroasă, cu șablon de gheață, un solid celular, ai cărui pereți celulari sunt formați din substanța dizolvată/particulă care s-a autoasamblat în timpul solidificării.

Mărimea și numărul porilor, geometria și orientarea acestora , ambalarea particulelor și caracteristicile de suprafață ale pereților celulei și, odată cu aceasta, proprietățile mecanice, termice, magnetice și de altă natură ale materialului pot fi adaptate pentru o aplicație dorită.

Pentru a obține mai multe informații despre știința fundamentală a turnării prin congelare, sunt planificate experimente care vor fi efectuate pe Stația Spațială Internațională. Acest lucru se datorează faptului că microgravitația ISS, adică o forță gravitațională extrem de redusă, minimizează efectele sedimentării și convecției asupra formării structurii.

Experții se așteaptă ca acest lucru să conducă la progrese suplimentare în înțelegerea proceselor de turnare prin congelare și fabricarea de materiale proiectate la comandă, fără defecte.

(Fluierul)