(PhysOrg.com) -- Frysningen av suspensioner av partiklar är inte alltid ett enhetligt fenomen; under vissa förhållanden leder det till en modifiering av omfördelningen av partiklar och tillväxten av kristaller.

Dessa resultat har erhållits av forskare vid Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques och Laboratoire Matériaux, Ingenierie och vetenskaper, Frankrike, genom att observera, genom röntgen vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), rörelsen av partiklar medan de fryses. Deras arbete kan göra det lättare att inte bara utveckla porösa material med specifika egenskaper utan också att bättre förstå mekanismerna för att jord fryser på vintern, som kan ha en betydande inverkan på växter, vägar och genomfartsleder. Dessa resultat publicerades online i tidskriften Naturmaterial den 8 november 2009.

Vad är sambandet mellan havsisbildning vid polerna, frusna jordar på vintern, kryokonservering av celler, Syntes av glass och kompositmaterial? Alla dessa situationer involverar utbredningen av ett stelningsgränssnitt och dess möte med partiklar, mikroorganismer eller bubblor i suspension i en vätska. Även om fenomenet kan beskrivas med några få ord, dess mekanism och kontroll förblir dock extremt komplexa och fortfarande långt ifrån att förstås fullt ut.

Ända tills nu, studier har förenklat problemet genom att endast betrakta en enda partikel framför ett platt gränssnitt som fortplantar sig med låg hastighet. Men i de flesta situationer gränssnittet sprider sig snabbt, är inte platt, det finns en mängd partiklar och de många interaktionerna mellan partiklarna spelar en stor roll för hur systemet beter sig. Gränssnittets beteende under dessa förhållanden, kritisk i många applikationer, är fortfarande dåligt förstådd för det mesta och svår att observera experimentellt, eftersom fenomenen äger rum i små dimensionella skalor och med hög hastighet.

Forskare har angripit problemet med hjälp av röntgenbilder. De gynnades av tillgång under flera dagar till European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, varav en linje (ID19) är dedikerad till röntgenbilder.

Genom att frysa en koncentrerad suspension av keramiska partiklar, forskarna kunde observera på plats tillväxten av iskristaller och rörelsen av partiklar under frysning. De fick sedan en tredimensionell bild av iskristallerna efter frysning genom att utnyttja skillnaderna i röntgenabsorption mellan isen och partiklarna. Forskarna kunde sedan visa att, under vissa förutsättningar, gränssnittet "hoppar", accelererar på ett punkterat sätt och modifierar omfördelningen av partiklar och tillväxten av kristaller. De förklarar detta resultat med en systematisk återgång av gränssnittet till jämvikt när det ges tillräckligt med tid för att göra det, vilket är oerhört intressant för materialvetenskapsforskare.

Fenomenet frysning kan faktiskt användas för att utveckla porösa material med specifika biomimetiska strukturer, vars mekaniska egenskaper verkar vara särskilt lovande för ett brett spektrum av tillämpningar inom energi, kemi och biologi. Således, när gränssnittet sprider sig på ett oregelbundet sätt, många defekter uppträder som försvagar strukturen, som väsentligt påverkar dess slutliga egenskaper. Dessa resultat utgör således nyckeln för att arbeta under förhållanden där sådana defekter saknas och kastar nytt ljus på naturliga frysmekanismer. Faktiskt, frysning av jordar på vintern har ganska betydande konsekvenser för växter och vägar. Bildandet av havsis, där salt och mikroorganismer drivs ut mellan iskristaller, spelar en viktig roll i termiska utbyten mellan atmosfären och haven.

Mer information: Metastabil och instabil cellulär stelning av kolloidala suspensioner; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Naturmaterial , 8 november 2009. doi:10.1038/nmat2571" target="_blank"> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

Tillhandahålls av CNRS