Ice-templating är en kraftfull teknik för att konstruera biologiska material med hjälp av iskärnbildning och tillväxt för att erhålla frusen materialarkitektur, men forskare har inte kunnat kontrollera dessa två faktorer med effektiva metoder. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Nifang Zhao och ett team av forskare inom kemisk och biologisk teknik vid Zhejiang University i Kina, demonstrerade successiv iskärnbildning och preferentiell tillväxt genom att introducera en vätbarhetsgradient på ett kallt finger (en laboratorieanordning som används för att generera en lokal kall yta). Arbetet lyfte fram förmågan att utnyttja den rika designbarheten hos ytvätbarhetsmönster för att konstruera högpresterande bulkmaterial med bioinspirerade komplexa arkitekturer.

Utveckla bioinspirerat material i labbet

Bioinspirerade material baserade på naturen, ben och tänder har länge fungerat som en inspirationskälla för att utveckla högpresterande strukturmaterial. Biologiska material kan realisera enastående mekaniska egenskaper för att bygga sofistikerade hierarkiska arkitekturer på nano/mikro- och makroskopiska nivåer. Till exempel, bioingenjörer hade utvecklat olika metoder tidigare för att konstruera pärlemor (skimrande skikt av blötdjursskal)-mimetiska kompositer, som inkluderar frysgjutning och tredimensionell (3-D) utskrift. frysgjutning, även känd som ice-templating är en kraftfull teknik med exakta, arkitektonisk kontroll, låg kostnad och mångsidighet för att konstruera högpresterande nacre-mimetiska kompositer och montera en mängd olika byggstenar. Under processen, iskristaller kan bilda kärnor på en kall yta och växa i en föredragen riktning längs temperaturgradienten, och teamet kan kontrollera faktorer som bidrar till processen, att modellera arkitekturen för det resulterande porösa materialet. Zhao et al. därför fokuserat på ytteknik genom att modulera eller kontrollera ytvätbarheten. För att åstadkomma detta, de introducerade en vätbarhetsgradient för att kontrollera iskärnbildning och tillväxt på en kall yta. Arbetet visade hur ytvätbarhet gjorde det möjligt att konstruera bulkmaterial med biomimetiska sofistikerade arkitekturer.

Proof-of-concept frysgjutningsteknik

Som proof-of-concept, teamet använde en vattenhaltig uppslamning av hydroxyapatit (HA) partiklar och jämförde frysgjutningsprocesser på ytor med olika grader av vätbarhet för att observera de resulterande experimentella mikrostrukturerna. Under traditionella frysgjutningsprocesser, slammet var i direkt kontakt med en omodifierad, homogent hydrofilt kopparsubstrat. Vid kylning, teamet genererade en vertikal temperaturgradient för att styra den föredragna tillväxten av iskristaller från botten till toppen. På grund av kopparsubstratets hydrofila (vattenälskande) natur, iskärnbildning skedde samtidigt över ytan, vilket Zhao et al. observerades med användning av svepelektronmikroskopi (SEM). De upprepade sedan samma frysgjutningsprocess på en hydrofob kopparyta. Även om iskärnbildningshastigheten fördröjdes på hydrofoba ytor som förväntat, processen skedde slumpmässigt över hela materialet. Baserat på samma idé, forskarna designade mer komplexa mönster för frysgjutning inklusive modifieringar av kopparyta med silan (förkortat POTS) via programmerad dip-coating för att ändra ytvattenkontaktvinkeln och vätbarheten.

Att observera frysningsprocessen och föreslå en frysmekanism

Zhao et al. observerade frysgjutningsprocessen med ett optiskt mikroskop. Under experimenten förseglade de en teflonform till ett kopparsubstrat och hällde en slurry med 20 procent HA-partiklar i formen för att observera kärnbildning av iskristaller från den hydrofila regionen till den hydrofoba regionen. De krediterade fenomenet kärnbildningshastigheter inducerade av ytvätbarhet och studerade effekterna av vätbarhetsgradienten inklusive fryshastighet och partikelkoncentration på mikrostrukturen.

De föreslog en möjlig mekanism för att kontrollera frysgjutna strukturer genom att kontrollera ytvätbarheten. För detta, teamet studerade de viktigaste antagandena om iskristallkärnbildning och preferentiell tillväxt och kombinerade de två mekanismerna för att realisera komplexa arkitekturer i frysgjutna material. Forskarna visualiserade processen med hjälp av ett fluorescensmikroskop efter att ha blandat HA-uppslamningen med en liten mängd fluorescerande polystyrenmikrosfärer. De inriktade partiklarna i mediet tvingade sedan successiva iskristaller att växa i liknande orienteringar och bilda en lamellstruktur med lång räckvidd. Arbetet antydde att ytvätbarhet snarare än typen av material bestämde orienteringen av iskristaller.

Utvecklar en högpresterande pärlemor-mimetisk komposit och testar dess mekaniska egenskaper

Forskarna sintrade och komponerade HA-ställningen som innehöll en långdistanslinjeformad lamellstruktur med ett polymermaterial, för att generera högpresterande nacre-mimetiska kompositer. Den välorienterade strukturen efterliknade tegel-och-molar-arkitekturen av naturlig pärlemor, som bekräftats med mikrodatortomografi. Zhao et al. bibehöll partikelkoncentrationen och istillväxthastigheten under hela frysgjutningsprocessen för att erhålla stora prover med enhetlig struktur.

För att upptäcka de mekaniska egenskaperna hos den resulterande strukturen, teamet jämförde böjegenskaperna hos HA/polymerkompositerna som utvecklats genom frysgjutning på gradient och homogena ytor. De mekaniska egenskaperna hos pärlemor-mimetiska kompositer var överlägsna de som framställdes på homogent hydrofoba eller hydrofila ytor. Arbetet visade fördelen med den långväga lamellstrukturen och verifierad frysgjutning på en gradientyta för att vara ett effektivt tillvägagångssätt för att bilda högpresterande nacre-mimetiska kompositer.

Designa ett ytvätbarhetsmönster

Teamet visade också förmågan att designa ett ytvätbarhetsmönster genom frysgjutning på kopparytor som innehåller en linjär vätbarhetsgradient i två skikt och en radiell vätbarhetsgradient. De fick två representativa strukturer med tvärriktade och cirkulära lamellmönster, inte tidigare möjligt med konventionella frysgjutningstekniker. Zhao et al. analyserade sedan kompositernas mekaniska egenskaper för att förstå deras prestanda och resultaten bekräftade möjligheten att utnyttja den rika designbarheten hos ytvätbarhetsmönster för att bygga högpresterande bulkmaterial med komplex bioinspirerad arkitektur.

På det här sättet, Nifang Zhao och kollegor visade hur iskärnbildning och tillväxt kunde kontrolleras genom att införa en vätbarhetsgradient på en kall yta för att styra orienteringen av iskristaller och arkitekturen hos det resulterande porösa materialet. Med hjälp av konceptet, de erhöll en långdistans inriktad lamellstruktur och infiltrerade den porösa ställningen för att generera en högpresterande bulk pärlemor-mimetisk komposit med utmärkt styrka och seghet. Arbetet belyser potentialen för ytvätbarhet och dess rika designbarhet för att bygga mönster för bioinspirerade komplexa arkitekturer med hög prestanda.

© 2020 Science X Network