Kontrol af isdannelse på overflader med gradientbefugtning for højtydende bioinspirerede materialer

Ice-templating er en kraftfuld teknik til at konstruere biologiske materialer ved hjælp af iskernedannelse og vækst for at opnå frosne materialearkitekturer, men videnskabsmænd har ikke været i stand til at kontrollere disse to faktorer med effektive metoder. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Nifang Zhao og et team af forskere inden for kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Zhejiang University i Kina, demonstrerede successiv iskernedannelse og præferencevækst ved at indføre en befugtningsgradient på en kold finger (en laboratorieanordning, der bruges til at generere en lokaliseret kold overflade). Arbejdet fremhævede evnen til at udnytte den rige designbarhed af overfladebefugtningsmønstre til at konstruere højtydende bulkmaterialer med bioinspirerede komplekse arkitekturer.

Udvikling af bioinspirerede materialer i laboratoriet

Bioinspirerede materialer baseret på naturen, knogle og tænder har længe tjent som inspirationskilde til at udvikle højtydende strukturelle materialer. Biologiske materialer kan realisere fremragende mekaniske egenskaber for at bygge sofistikerede hierarkiske arkitekturer på nano/mikro- og makroskopiske niveauer. For eksempel, bioingeniører havde tidligere udviklet forskellige metoder til at konstruere nacre (iriserende lag af bløddyrsskal)-mimetiske kompositter, som omfatter frysestøbning og tredimensionel (3-D) udskrivning. Frysestøbning, også kendt som ice-templating er en kraftfuld teknik med præcise, arkitektonisk kontrol, lavpris og alsidighed til at konstruere højtydende nacre-mimetiske kompositter og samle en række byggeklodser. Under processen, iskrystaller kan danne kerne på en kold overflade og vokse i en foretrukken retning langs temperaturgradienten, og teamet kan kontrollere faktorer, der bidrager til processen, at modellere arkitekturen af ​​det resulterende porøse materiale. Zhao et al. fokuserede derfor på overfladeteknik ved at modulere eller kontrollere overfladefugtbarhed. For at opnå dette, de introducerede en fugtbarhedsgradient til at kontrollere iskernen og væksten på en kold overflade. Arbejdet viste, hvordan overfladefugtbarhed tillod at konstruere bulkmaterialer med biomimetiske sofistikerede arkitekturer.

Proof-of-concept frysestøbningsteknik

Som proof-of-concept, teamet brugte en vandig opslæmning af hydroxyapatit (HA) partikler og sammenlignede frysestøbningsprocesser på overflader med forskellige grader af befugtning til at observere de resulterende eksperimentelle mikrostrukturer. Under traditionelle frysestøbeprocesser, gyllen var i direkte kontakt med en umodificeret, homogent hydrofilt kobbersubstrat. Ved afkøling, holdet genererede en lodret temperaturgradient for at guide den foretrukne vækst af iskrystaller fra bunden til toppen. På grund af kobbersubstratets hydrofile (vandglade) karakter, iskernedannelse fandt sted samtidigt hen over overfladen, som Zhao et al. observeret ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM). De gentog derefter den samme frysestøbningsproces på en hydrofob kobberoverflade. Selvom iskernedannelseshastigheden blev forsinket på hydrofobe overflader som forventet, processen skete tilfældigt på tværs af hele materialet. Ud fra samme idé, forskerne designede mere komplekse mønstre til frysestøbning, herunder kobberoverflademodifikationer med silan (forkortet POTS) via programmeret dip-coating for at ændre overfladevandets kontaktvinkel og befugtning.

Iagttage fryseprocessen og foreslå en frysemekanisme

Zhao et al. observerede fryse-støbningsprocessen ved hjælp af et optisk mikroskop. Under forsøgene forseglede de en teflonform til et kobbersubstrat og hældte en opslæmning med 20 procent HA -partikler i formen for at observere kimdannelse af iskrystaller fra den hydrofile region til den hydrofobe region. De krediterede fænomenet til nukleationshastigheder induceret af overfladebefugtningsevne og undersøgte virkningerne af befugtningsgradienten, herunder frysehastighed og partikelkoncentration på mikrostrukturen.

De foreslog en mulig mekanisme til at kontrollere frysestøbte strukturer ved at kontrollere overfladens fugtighed. For det, holdet studerede de vigtigste antagelser om iskrystalkernedannelse og præferencevækst og kombinerede de to mekanismer til at realisere komplekse arkitekturer i frysestøbte materialer. Forskerne visualiserede processen ved hjælp af et fluorescensmikroskop efter at have blandet HA-opslæmningen med en lille mængde fluorescerende polystyrenmikrosfærer. De justerede partikler i mediet tvang derefter successive iskrystaller til at vokse i lignende orienteringer og danne en lamelstruktur med lang rækkevidde. Arbejdet antydede, at overfladefugtbarhed frem for materialetype bestemte iskrystallernes orientering.

Udvikler en højtydende nacre-mimetisk komposit og tester dens mekaniske egenskaber

Forskerne sintrede og sammensatte HA-stilladset, der indeholdt en langrækkende opstillet lamelstruktur med et polymermateriale, at generere højtydende nacre-mimetiske kompositter. Den velorienterede struktur efterlignede murstens-og-molar-arkitekturen af ​​naturlig perlemor, som bekræftet med mikro-computertomografi. Zhao et al. opretholdt partikelkoncentrationen og isvæksthastigheden under hele frysestøbningsprocessen for at opnå store prøver med ensartet struktur.

For at detektere de mekaniske egenskaber af den resulterende struktur, holdet sammenlignede bøjningsegenskaber af HA/polymer-kompositter udviklet ved frysestøbning på gradient og homogene overflader. De mekaniske egenskaber af nacre-mimetiske kompositter var overlegne end dem fremstillet på homogent hydrofobe eller hydrofile overflader. Arbejdet viste fordelen ved den lange lamelstruktur og verificerede frysestøbning på en gradientoverflade som en effektiv tilgang til at danne højtydende nacre-mimetiske kompositter.

Design af et overfladebefugtningsmønster

Holdet viste også evnen til at designe et overfladebefugtningsmønster ved frysestøbning på kobberoverflader indeholdende en tolags lineær befugtningsgradient og radial befugtningsgradient. De opnåede to repræsentative strukturer med krydsstillede og cirkulære lamelmønstre, ikke tidligere muligt med konventionelle frysestøbeteknikker. Zhao et al. analyserede derefter komposittenes mekaniske egenskaber for at forstå deres ydeevne, og resultaterne bekræftede muligheden for at udnytte den rige designbarhed af overfladefugtbarhedsmønstre til at bygge højtydende massematerialer med kompleks bioinspireret arkitektur.

På denne måde Nifang Zhao og kolleger viste, hvordan iskernen og væksten kunne kontrolleres ved at indføre en fugtbarhedsgradient på en kold overflade for at kontrollere iskrystallernes orientering og arkitekturen af ​​det resulterende porøse materiale. Ved hjælp af konceptet, de opnåede en langtrækkende tilpasset lamelstruktur og infiltrerede det porøse stillads for at generere en højtydende bulk nacre-mimetisk komposit med fremragende styrke og sejhed. Værket fremhæver potentialet ved overfladebefugtning og dets rige designevne til at bygge mønstre til bioinspirerede komplekse arkitekturer med høj ydeevne.

© 2020 Science X Network