Frysgjutning är en elegant, kostnadseffektiv tillverkningsteknik för att producera mycket porösa material med specialdesignade hierarkiska arkitekturer, väldefinierad pororientering och multifunktionella ytstrukturer. Frystgjutna material är lämpliga för många tillämpningar, från biomedicin till miljöteknik och energiteknik.
En artikel i Nature Reviews Methods Primers ger nu en guide till frysgjutningsmetoder som inkluderar en översikt över nuvarande och framtida tillämpningar och belyser karakteriseringstekniker med fokus på röntgentomoskopi.
"Vi blev glada när tidskriften Nature erbjöd oss möjligheten att förbereda en [Primer] med instruktioner och en översikt över processen", säger materialvetaren Prof. Ulrike Wegst (Northeastern University, Boston, MA, USA och TU Berlin).
"Tillsammans med tomoskopiexperterna Dr Francisco García-Moreno och Dr Paul Kamm (både HZB och TU Berlin), Dr Kaiyang Yin (numera Humboldt Research Fellow vid University of Freiburg) och jag hade precis utfört första in situ experiment och upptäckte nya iskristalltillväxt och mallfenomen Det verkade därför lägligt att kombinera i vår frysgjutningsmetoder
Efter en introduktion till de olika satsvisa och kontinuerliga frysgjutningsprocesserna, och en kort beskrivning av lyofilisering (frystorkning), ger Primern en översikt över de många karakteriseringsteknikerna för analys av komplexa, hierarkiska materialarkitekturer och materialegenskaper.
Framhävd är de unika egenskaperna och styrkorna hos röntgentomoskopi, som gör det möjligt att analysera kristalltillväxt och dynamiken i strukturbildning i alla materialklasser (polymerer, keramik, metaller och deras kompositer) under stelning i realtid och 3D.
"Detta är särskilt attraktivt när vi vill kvantifiera anisotrop kristalltillväxt, som den i vattenlösningar och uppslamningar, där kristaller sträcker sig i olika kristallriktningar med olika hastigheter", säger García-Moreno.
Frysgjutningsprocessen utvecklades för mer än 40 år sedan för tillverkning av vävnadsställningar. Det blev snart uppenbart att frysgjutna material, på grund av sin mycket porösa struktur, kunde integreras väl med värdvävnader och stödja läkningsprocesser.
Idag används frysgjutna material i stor utsträckning, inte bara inom biomedicin utan även inom teknik, från innovativa katalysatorer till mycket porösa elektroder för batterier eller bränsleceller. En mängd olika lösningsmedel, lösta ämnen och partiklar kan användas för att skapa de önskade strukturerna, formerna och funktionaliteterna.
Hur fungerar frysgjutning?
Först löses eller suspenderas ett ämne i ett lösningsmedel, här vatten, och placeras i en form. Sedan appliceras en väldefinierad kylningshastighet på kopparformens botten för att riktningsstelna provet. Vid stelning sker en fasseparation till ett rent lösningsmedel, här is, och ett löst ämne och partiklar, där isen bildar fasen av löst ämne/partikel.
När provet har stelnat helt, avlägsnas det fasta lösningsmedlet genom sublimering under lyofilisering. Lyofilisering avslöjar den mycket porösa, isformade byggnadsställningen, ett cellulärt fast ämne, vars cellväggar är sammansatta av det lösta ämnet/partikeln som självmonterades under stelningen.
Storleken och antalet porer, deras geometri och orientering, förpackningen av partiklar och cellväggarnas ytegenskaper och därmed materialets mekaniska, termiska, magnetiska och andra egenskaper kan skräddarsys för en önskad applikation.
För att få ytterligare information om den grundläggande vetenskapen om frysgjutning, planeras experiment som ska utföras på den internationella rymdstationen. Detta beror på att ISS mikrogravitation, det vill säga en enormt reducerad gravitationskraft, minimerar effekterna av sedimentation och konvektion på strukturbildning.
Experterna förväntar sig att detta kommer att leda till ytterligare framsteg i förståelsen av frysgjutningsprocesser och tillverkning av specialdesignade, defektfria material.
Mer information: Ulrike G. K. Wegst et al, Freeze casting, Nature Reviews Methods Primers (2024). DOI:10.1038/s43586-024-00307-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
