Wetenschap
Freeze casting:een gids voor het maken van hiërarchisch gestructureerde materialen
Vriesgieten is een elegante, kosteneffectieve productietechniek om zeer poreuze materialen te produceren met op maat ontworpen hiërarchische architecturen, goed gedefinieerde poriënoriëntatie en multifunctionele oppervlaktestructuren. Vriesgietmaterialen zijn geschikt voor vele toepassingen, van de biogeneeskunde tot milieutechniek en energietechnologieën.
Een artikel in Nature Reviews Methods Primers biedt nu een gids voor vriesgietmethoden met een overzicht van huidige en toekomstige toepassingen en belicht karakteriseringstechnieken met de nadruk op röntgentomoscopie.
"We waren heel blij toen het tijdschrift Nature bood ons de mogelijkheid om een [Primer] voor te bereiden met instructies en een overzicht van het proces", zegt materiaalwetenschapper prof. Ulrike Wegst (Northeastern University, Boston, MA, VS en TU Berlijn).
"Samen met tomoscopie-experts Dr. Francisco García-Moreno en Dr. Paul Kamm (zowel HZB als TU Berlijn), Dr. Kaiyang Yin (nu Humboldt Research Fellow aan de Universiteit van Freiburg) en ik hadden zojuist de eerste in situ experimenten uitgevoerd en ontdekt nieuwe ijskristalgroei- en sjabloonfenomenen leken daarom op het juiste moment om in onze Freeze Casting-gids te combineren met technieken voor proces- en materiaalanalyse
Na een inleiding tot de verschillende batch- en continue vriesgietprocessen en een korte schets van lyofilisatie (vriesdrogen), biedt de Primer een overzicht van de vele karakteriseringstechnieken voor de analyse van de complexe, hiërarchische materiaalarchitecturen en materiaaleigenschappen. P>
Benadrukt worden de unieke mogelijkheden en sterke punten van röntgentomoscopie, die het mogelijk maakt om kristalgroei en de dynamiek van structuurvorming in alle klassen van materialen (polymeren, keramiek, metalen en hun composieten) tijdens stolling in realtime en 3D te analyseren.
"Dit is vooral aantrekkelijk als we de anisotrope kristalgroei willen kwantificeren, zoals die in waterige oplossingen en slurries, waarin kristallen zich met verschillende snelheden in de verschillende kristalrichtingen uitstrekken", zegt García-Moreno.
Het vriesgietproces werd ruim 40 jaar geleden ontwikkeld voor de productie van weefselsteigers. Het werd al snel duidelijk dat vriesgietmaterialen, vanwege hun zeer poreuze structuur, goed konden integreren met gastweefsels en genezingsprocessen konden ondersteunen.
Tegenwoordig worden vriesgietmaterialen op grote schaal gebruikt, niet alleen in de biogeneeskunde, maar ook in de techniek, van innovatieve katalysatoren tot zeer poreuze elektroden voor batterijen of brandstofcellen. Er kan een grote verscheidenheid aan oplosmiddelen, opgeloste stoffen en deeltjes worden gebruikt om de gewenste structuren, vormen en functionaliteiten te creëren.
Hoe werkt vriescasten?
Eerst wordt een stof opgelost of gesuspendeerd in een oplosmiddel, hier water, en in een mal geplaatst. Vervolgens wordt een goed gedefinieerde koelsnelheid toegepast op de koperen malbodem om het monster gericht te laten stollen. Bij het stollen vindt er een fasescheiding plaats in een zuiver oplosmiddel, hier ijs, en een opgeloste stof en deeltjes, waarbij het ijs de fase van de opgeloste stof/deeltjes vormt.
Zodra het monster volledig gestold is, wordt het vaste oplosmiddel verwijderd door sublimatie tijdens lyofilisatie. Lyofilisatie onthult het zeer poreuze schavot met ijssjabloon, een cellulaire vaste stof waarvan de celwanden zijn samengesteld uit de opgeloste stof/deeltje dat zichzelf assembleerde tijdens het stollen.
De grootte en het aantal poriën, hun geometrie en oriëntatie, de verpakking van deeltjes en de oppervlakte-eigenschappen van de celwanden en daarmee de mechanische, thermische, magnetische en andere eigenschappen van het materiaal kunnen worden afgestemd op een gewenste toepassing.
Om meer informatie te verkrijgen over de fundamentele wetenschap van het vriesgieten, zijn er experimenten gepland die zullen worden uitgevoerd op het Internationale Ruimtestation. Dit komt omdat de microzwaartekracht van het ISS, d.w.z. een enorm verminderde zwaartekracht, de effecten van sedimentatie en convectie op structuurvorming minimaliseert.
De experts verwachten dat dit zal leiden tot verdere vooruitgang in het begrip van vriesgietprocessen en de productie van op maat ontworpen, defectvrije materialen.