Frysning:et fænomen, der springer

(PhysOrg.com) -- Nedfrysning af suspensioner af partikler er ikke altid et ensartet fænomen; under visse forhold fører det til en ændring af omfordelingen af ​​partikler og væksten af ​​krystaller.

Disse resultater er opnået af forskere ved Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques og Laboratoire Matériaux, Ingenierie og videnskaber, Frankrig, ved at observere, gennem røntgenbilleder ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), partiklernes bevægelse, mens de fryses. Deres arbejde kunne gøre det lettere, ikke blot at udvikle porøse materialer med specifikke egenskaber, men også at forstå bedre mekanismerne for jordfrysning om vinteren, som kan have en betydelig indvirkning på planter, veje og færdselsårer. Disse resultater blev offentliggjort online i tidsskriftet Naturmaterialer den 8. november 2009.

Hvad er sammenhængen mellem havisdannelse ved polerne, frossen jord om vinteren, kryokonservering af celler, syntese af is og kompositmateriale? Alle disse situationer involverer udbredelsen af ​​en størkningsgrænseflade og dens møde med partikler, mikroorganismer eller bobler i suspension i en væske. Selvom fænomenet kan beskrives med få ord, dens mekanisme og kontrol forbliver dog ekstremt kompleks og stadig langt fra at blive fuldt ud forstået.

Indtil nu, undersøgelser har forenklet problemet ved kun at overveje en enkelt partikel foran en flad grænseflade, der forplanter sig ved lav hastighed. I de fleste situationer dog grænsefladen forplanter sig hurtigt, er ikke flad, der er et væld af partikler, og de talrige interaktioner mellem partiklerne spiller en væsentlig rolle for den måde, systemet opfører sig på. Grænsefladens adfærd under disse forhold, kritisk i adskillige applikationer, er stadig dårligt forstået for det meste og vanskeligt at observere eksperimentelt, da fænomenerne finder sted i små dimensionelle skalaer og ved høj hastighed.

Forskere har tacklet problemet ved hjælp af røntgenbilleder. De nød godt af adgang i flere dage til European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, hvoraf en linje (ID19) er dedikeret til røntgenbilleddannelse.

Ved at fryse en koncentreret suspension af keramiske partikler, forskerne var i stand til in situ at observere væksten af ​​iskrystaller og bevægelsen af ​​partikler under frysning. De fik derefter et tredimensionelt billede af iskrystallerne efter frysning ved at udnytte forskellene i røntgenabsorption mellem isen og partiklerne. Forskerne kunne derefter påvise, at under visse betingelser, grænsefladen "hopper", accelererer på en punkteret måde og modificerer omfordelingen af ​​partikler og væksten af ​​krystaller. De forklarer dette resultat ved en systematisk tilbagevenden af ​​grænsefladen til ligevægt, når den får tid nok til at gøre det, hvilket er yderst interessant for materialevidenskabelige forskere.

Fænomenet frysning kan faktisk bruges til at udvikle porøse materialer med specifikke biomimetiske strukturer, hvis mekaniske egenskaber synes at være særligt lovende til en lang række anvendelser inden for energi, kemi og biologi. Dermed, når grænsefladen forplanter sig på en uregelmæssig måde, der opstår adskillige defekter, der svækker strukturen, som væsentligt påvirker dets endelige egenskaber. Disse resultater udgør således nøglen til at arbejde under forhold, hvor sådanne defekter er fraværende, og kaster nyt lys over naturlige frysemekanismer. Faktisk, frysning af jord om vinteren har ganske betydelige konsekvenser for planter og veje. Dannelsen af ​​havis, hvor salt og mikroorganismer udstødes mellem iskrystaller, spiller en vigtig rolle i termiske udvekslinger mellem atmosfæren og oceanerne.

Mere information: Metastabil og ustabil cellulær størkning af kolloide suspensioner; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Naturmaterialer , 8. november 2009. doi:10.1038/nmat2571" target="_blank"> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

Leveret af CNRS