Ice-templating is een krachtige techniek om biologische materialen te construeren met behulp van ijskiemvorming en groei om bevroren materiaalarchitecturen te verkrijgen, maar wetenschappers zijn niet in staat geweest om deze twee factoren met effectieve methoden te beheersen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Nifang Zhao en een team van wetenschappers in chemische en biologische engineering aan de Zhejiang University in China, toonde opeenvolgende ijskiemvorming en preferentiële groei door het introduceren van een bevochtigingsgradiënt op een koude vinger (een laboratoriumapparaat dat wordt gebruikt om een ​​gelokaliseerd koud oppervlak te genereren). Het werk benadrukte het vermogen om de rijke ontwerpbaarheid van oppervlaktebevochtigingspatronen te benutten om hoogwaardige bulkmaterialen te ontwerpen met bio-geïnspireerde complexe architecturen.

Bio-geïnspireerde materialen ontwikkelen in het lab

Bio-geïnspireerde materialen gebaseerd op de natuur, botten en tanden hebben lange tijd als inspiratiebron gediend om hoogwaardige structurele materialen te ontwikkelen. Biologische materialen kunnen uitstekende mechanische eigenschappen realiseren om geavanceerde hiërarchische architecturen te bouwen op nano-/micro- en macroscopisch niveau. Bijvoorbeeld, bio-ingenieurs hadden in het verleden verschillende methoden ontwikkeld om mimetische composieten van parelmoer (iriserende laag van weekdieren) te construeren, waaronder vriesgieten en driedimensionaal (3D) printen. Vriesgieten, ook bekend als ice-templating is een krachtige techniek met nauwkeurige, architecturale controle, lage kosten en veelzijdigheid om hoogwaardige nacre-mimetische composieten te ontwikkelen en een verscheidenheid aan bouwstenen samen te stellen. Tijdens het proces, ijskristallen kunnen kiemen op een koud oppervlak en groeien in een voorkeursrichting langs de temperatuurgradiënt, en het team kan factoren controleren die bijdragen aan het proces, om de architectuur van het resulterende poreuze materiaal te modelleren. Zhao et al. daarom gericht op oppervlakte-engineering door het moduleren of regelen van de bevochtigbaarheid van het oppervlak. Om dit te bereiken, ze introduceerden een bevochtigingsgradiënt om ijskiemvorming en groei op een koud oppervlak te beheersen. Het werk toonde aan hoe de bevochtigbaarheid van het oppervlak het mogelijk maakte om bulkmaterialen te engineeren met biomimetische geavanceerde architecturen.

Proof-of-concept vriesgiettechniek

Als proof-of-concept, het team gebruikte een waterige suspensie van hydroxyapatiet (HA) -deeltjes en vergeleek vriesgietprocessen op oppervlakken met verschillende gradaties van bevochtigbaarheid om de resulterende experimentele microstructuren te observeren. Tijdens traditionele vriesgietprocessen, de slurry was in direct contact met een ongewijzigde, homogeen hydrofiel kopersubstraat. Bij afkoeling, het team genereerde een verticale temperatuurgradiënt om de preferentiële groei van ijskristallen van onder naar boven te begeleiden. Vanwege het hydrofiele (waterminnende) karakter van het kopersubstraat, ijskiemvorming vond gelijktijdig plaats over het oppervlak, die Zhao et al. waargenomen met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Vervolgens herhaalden ze hetzelfde vriesgietproces op een hydrofoob koperen oppervlak. Hoewel de ijskiemvormingssnelheid vertraagd was op hydrofobe oppervlakken zoals verwacht, het proces vond willekeurig plaats over het hele materiaal. Op basis van hetzelfde idee, de wetenschappers ontwierpen complexere patronen voor vriesgieten, waaronder modificaties van het koperoppervlak met silaan (afgekort POTS) via geprogrammeerde dip-coating om de contacthoek en bevochtigbaarheid van het oppervlaktewater te veranderen.

Observeren van het invriesproces en voorstellen van een invriesmechanisme

Zhao et al. observeerde het vriesgietproces met behulp van een optische microscoop. Tijdens de experimenten verzegelden ze een teflon-mal op een koperen substraat en goten een slurry met 20 procent HA-deeltjes in de mal om kiemvorming van ijskristallen van het hydrofiele gebied naar het hydrofobe gebied te observeren. Ze schreven het fenomeen toe aan nucleatiesnelheden die worden veroorzaakt door de bevochtigbaarheid van het oppervlak en bestudeerden de effecten van de bevochtigingsgradiënt, inclusief vriessnelheid en deeltjesconcentratie op de microstructuur.

Ze stelden een mogelijk mechanisme voor om gevriesdroogde structuren te beheersen door de bevochtigbaarheid van het oppervlak te regelen. Voor deze, het team bestudeerde de belangrijkste aannames van ijskristalkiemvorming en preferentiële groei en combineerde de twee mechanismen om complexe architecturen in gevriesdroogde materialen te realiseren. De wetenschappers visualiseerden het proces met behulp van een fluorescentiemicroscoop na het mengen van de HA-slurry met een kleine hoeveelheid fluorescerende polystyreenmicrosferen. De uitgelijnde deeltjes in het medium dwongen vervolgens opeenvolgende ijskristallen om in vergelijkbare oriëntaties te groeien en een lange-afstands lamellaire structuur te vormen. Het werk suggereerde dat de bevochtigbaarheid van het oppervlak in plaats van het type materiaal de oriëntatie van ijskristallen bepaalde.

Een hoogwaardig parelmoer-mimetisch composiet ontwikkelen en de mechanische eigenschappen ervan testen

De wetenschappers hebben de HA-steiger gesinterd en samengesteld met een lange-afstands uitgelijnde lamellaire structuur met een polymeermateriaal, om hoogwaardige parelmoer-mimetische composieten te genereren. De goed georiënteerde structuur bootst de baksteen-en-molaire architectuur na van natuurlijk parelmoer, zoals bevestigd met microcomputertomografie. Zhao et al. handhaafde de deeltjesconcentratie en de ijsgroeisnelheid tijdens het gehele vriesgietproces om grote monsters met een uniforme structuur te verkrijgen.

Om de mechanische eigenschappen van de resulterende structuur te detecteren, het team vergeleek de buigeigenschappen van de HA/polymeercomposieten die zijn ontwikkeld door middel van vriesgieten op gradiënt- en homogene oppervlakken. De mechanische eigenschappen van parelmoer-mimetische composieten waren superieur aan die bereid op homogeen hydrofobe of hydrofiele oppervlakken. Het werk toonde aan dat het voordeel van de lange-afstands lamellaire structuur en geverifieerd vriesgieten op een gradiëntoppervlak een effectieve benadering is om hoogwaardige parelmoer-mimetische composieten te vormen.

Een patroon voor oppervlaktebevochtiging ontwerpen

Het team toonde ook de mogelijkheid om een ​​patroon van bevochtiging van het oppervlak te ontwerpen door vriesgieten op koperen oppervlakken met een lineaire bevochtigingsgradiënt van twee lagen en een radiale bevochtigingsgradiënt. Ze verkregen twee representatieve structuren met kruislings uitgelijnde en cirkelvormige lamellaire patronen, voorheen niet mogelijk met conventionele vriesgiettechnieken. Zhao et al. analyseerde vervolgens de mechanische eigenschappen van de composieten om hun prestaties te begrijpen en de resultaten bevestigden de mogelijkheid om de rijke ontwerpbaarheid van oppervlaktebevochtigingspatronen te benutten om hoogwaardige bulkmaterialen te bouwen met een complexe bio-geïnspireerde architectuur.

Op deze manier, Nifang Zhao en collega's lieten zien hoe ijskiemvorming en -groei kunnen worden gecontroleerd door een bevochtigingsgradiënt op een koud oppervlak te introduceren om de oriëntatie van ijskristallen en de architectuur van het resulterende poreuze materiaal te regelen. Met behulp van het concept, ze verkregen een lange-afstands uitgelijnde lamellaire structuur en infiltreerden de poreuze steiger om een ​​hoogwaardige bulkparelmoer-mimetische composiet te genereren met uitstekende sterkte en taaiheid. Het werk benadrukt het potentieel van oppervlaktebevochtiging en de rijke ontwerpbaarheid ervan om patronen te bouwen voor bio-geïnspireerde complexe architecturen met hoge prestaties.

© 2020 Wetenschap X Netwerk