(PhysOrg.com) -- Het bevriezen van suspensies van deeltjes is niet altijd een uniform fenomeen; onder bepaalde omstandigheden leidt het tot een wijziging van de herverdeling van deeltjes en de groei van kristallen.

Deze resultaten zijn verkregen door onderzoekers van het Laboratoire de Synthčse et Fonctionnisation des Céramiques en het Laboratoire Matériaux, Ingenie en Wetenschappen, Frankrijk, door te observeren, door middel van röntgenbeeldvorming bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), de beweging van deeltjes terwijl ze worden bevroren. Hun werk zou het niet alleen gemakkelijker kunnen maken om poreuze materialen met specifieke eigenschappen te ontwikkelen, maar ook om de mechanismen van bodembevriezing in de winter beter te begrijpen, die een aanzienlijke impact kunnen hebben op planten, wegen en doorgaande wegen. Deze resultaten zijn online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen op 8 november 2009.

Wat is het verband tussen zee-ijsvorming aan de polen, bevroren bodems in de winter, cryopreservatie van cellen, synthese van ijs en composietmateriaal? Al deze situaties hebben betrekking op de voortplanting van een stollingsinterface en de ontmoeting met deeltjes, micro-organismen of bellen in suspensie in een vloeistof. Hoewel het fenomeen in een paar woorden kan worden beschreven, het mechanisme en de controle ervan blijven echter uiterst complex en worden nog lang niet volledig begrepen.

Tot nu toe, studies hebben het probleem vereenvoudigd door slechts een enkel deeltje te beschouwen voor een vlak grensvlak dat zich met lage snelheid voortplant. In de meeste situaties echter, de interface plant zich snel voort, is niet vlak, er is een veelheid aan deeltjes en de talrijke interacties tussen de deeltjes spelen een grote rol in het gedrag van het systeem. Het gedrag van de interface in deze omstandigheden, kritisch in tal van toepassingen, nog grotendeels slecht begrepen en moeilijk experimenteel waar te nemen, omdat de verschijnselen plaatsvinden op kleine dimensionale schalen en met hoge snelheid.

Onderzoekers hebben het probleem aangepakt met behulp van röntgenbeeldvorming. Ze kregen enkele dagen toegang tot de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, waarvan één lijn (ID19) is gewijd aan röntgenbeeldvorming.

Door een geconcentreerde suspensie van keramische deeltjes te bevriezen, de onderzoekers konden in situ de groei van ijskristallen en de beweging van deeltjes tijdens bevriezing observeren. Vervolgens verkregen ze een driedimensionaal beeld van de ijskristallen na bevriezing door gebruik te maken van de verschillen in röntgenabsorptie tussen het ijs en de deeltjes. De onderzoekers konden toen aantonen dat, onder bepaalde omstandigheden, de interface “springt”, op een punctuele manier versnellen en de herverdeling van deeltjes en de groei van kristallen wijzigen. Ze verklaren dit resultaat door een systematische terugkeer van de interface naar evenwicht wanneer het voldoende tijd krijgt om dit te doen, wat buitengewoon interessant is voor materiaalwetenschappelijke onderzoekers.

Het fenomeen bevriezing kan namelijk gebruikt worden om poreuze materialen te ontwikkelen met specifieke biomimetische structuren, waarvan de mechanische eigenschappen bijzonder veelbelovend lijken voor een breed scala aan toepassingen in de energiesector, scheikunde en biologie. Dus, wanneer de interface zich op een onregelmatige manier voortplant, talrijke defecten verschijnen die de structuur verzwakken, die de uiteindelijke eigenschappen aanzienlijk beïnvloeden. Deze resultaten bieden dus de sleutel voor het werken in omstandigheden waar dergelijke defecten afwezig zijn en werpen een nieuw licht op natuurlijke bevriezingsmechanismen. In feite, bevriezing van bodems in de winter heeft behoorlijke gevolgen voor planten en wegen. De vorming van zee-ijs, waar zout en micro-organismen tussen ijskristallen worden verdreven, speelt een belangrijke rol bij thermische uitwisselingen tussen de atmosfeer en de oceanen.

Meer informatie: Metastabiele en instabiele cellulaire stolling van colloïdale suspensies; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Natuurmaterialen , 8 november 2009. doi:10.1038/nmat2571" target="_blank"> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

Geleverd door CNRS