Frysestøbning - en guide til at skabe hierarkisk strukturerede materialer

Frysestøbning er en elegant, omkostningseffektiv fremstillingsteknik til fremstilling af meget porøse materialer med specialdesignede hierarkiske arkitekturer, veldefineret poreorientering og multifunktionelle overfladestrukturer. Frysestøbte materialer er velegnede til mange anvendelser, fra biomedicin til miljøteknik og energiteknologier.

En artikel i Nature Reviews Methods Primers giver nu en guide til frysestøbningsmetoder, der inkluderer en oversigt over nuværende og fremtidige anvendelser og fremhæver karakteriseringsteknikker med fokus på røntgen tomoskopi.

"Vi var glade, da journalen Nature tilbudt os muligheden for at forberede en [Primer] med instruktioner og et overblik over processen," siger materialeforsker Prof. Ulrike Wegst (Northeastern University, Boston, MA, U.S. og TU Berlin).

"Sammen med tomoskopieksperterne Dr. Francisco García-Moreno og Dr. Paul Kamm (både HZB og TU Berlin), havde Dr. Kaiyang Yin (nu Humboldt Research Fellow ved University of Freiburg) og jeg netop udført de første in situ eksperimenter og opdaget nye iskrystalvækst og skabelonfænomener Det syntes derfor at være betimeligt at kombinere i vores frysestøbningsmetoder .

Efter en introduktion til de forskellige batch- og kontinuerlige frysestøbeprocesser og en kort oversigt over lyofilisering (frysetørring), giver Primeren et overblik over de mange karakteriseringsteknikker til analyse af de komplekse, hierarkiske materialearkitekturer og materialeegenskaber.

Fremhævet er de unikke muligheder og styrker ved røntgen tomoskopi, som gør det muligt at analysere krystalvækst og dynamikken i strukturdannelse i alle klasser af materialer (polymerer, keramik, metaller og deres kompositter) under størkning i realtid og 3D.

"Dette er særligt attraktivt, når vi ønsker at kvantificere anisotrop krystalvækst, såsom den i vandige opløsninger og opslæmninger, hvor krystaller strækker sig i de forskellige krystalretninger med forskellige hastigheder," siger García-Moreno.

Frysestøbeprocessen blev udviklet for mere end 40 år siden til produktion af vævsstilladser. Det blev hurtigt klart, at frysestøbte materialer på grund af deres meget porøse struktur kunne integreres godt med værtsvæv og understøtte helingsprocesser.

I dag er frysestøbte materialer meget udbredt, ikke kun i biomedicin, men også i ingeniørvidenskab, fra innovative katalysatorer til meget porøse elektroder til batterier eller brændselsceller. En bred vifte af opløsningsmidler, opløste stoffer og partikler kan bruges til at skabe de ønskede strukturer, former og funktionaliteter.

Hvordan fungerer frysestøbning?

Først opløses eller suspenderes et stof i et opløsningsmiddel, her vand, og lægges i en form. Derefter påføres en veldefineret afkølingshastighed på kobberformens bund for retningsbestemt at størkne prøven. Ved størkning sker en faseadskillelse til et rent opløsningsmiddel, her is, og et opløst stof og partikler, hvor isen danner en skabelon for den opløste/partikelfasen.

Når prøven er blevet fuldstændig størknet, fjernes det faste opløsningsmiddel ved sublimering under lyofilisering. Lyofilisering afslører det meget porøse, is-skabelonede stillads, et cellulært fast stof, hvis cellevægge er sammensat af det opløste stof/partikel, der selv samlede sig under størkning.

Størrelsen og antallet af porer, deres geometri og orientering, pakningen af ​​partikler og cellevæggenes overfladekarakteristika og dermed materialets mekaniske, termiske, magnetiske og andre egenskaber kan skræddersyes til en ønsket anvendelse.

For at få yderligere information om den grundlæggende videnskab om frysestøbning er der planlagt eksperimenter, der skal udføres på den internationale rumstation. Dette skyldes, at ISS mikrogravitation, dvs. en enormt reduceret gravitationskraft, minimerer virkningerne af sedimentation og konvektion på strukturdannelse.

Eksperterne forventer, at dette vil føre til yderligere fremskridt i forståelsen af ​​frysestøbeprocesser og fremstilling af specialdesignede, fejlfrie materialer.

Flere oplysninger: Ulrike G. K. Wegst et al., Freeze casting, Nature Reviews Methods Primers (2024). DOI:10.1038/s43586-024-00307-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres