La colata a freddo è una tecnica di produzione elegante ed economica per produrre materiali altamente porosi con architetture gerarchiche progettate su misura, orientamento dei pori ben definito e strutture superficiali multifunzionali. I materiali liofilizzati sono adatti per molte applicazioni, dalla biomedicina all'ingegneria ambientale e alle tecnologie energetiche.
Un articolo in Nature Reviews Methods Primer ora fornisce una guida ai metodi di freeze-casting che include una panoramica sulle applicazioni attuali e future ed evidenzia le tecniche di caratterizzazione con particolare attenzione alla tomoscopia a raggi X.
"Siamo stati felicissimi quando la rivista Nature ci ha offerto l'opportunità di preparare un [Primer] con le istruzioni e una panoramica del processo", afferma la scienziata dei materiali Prof. Ulrike Wegst (Northeastern University, Boston, MA, USA e TU Berlin).
"Insieme agli esperti di tomoscopia Dr. Francisco García-Moreno e Dr. Paul Kamm (entrambi HZB e TU Berlin), il Dr. Kaiyang Yin (ora ricercatore Humboldt presso l'Università di Friburgo) ed io avevamo appena eseguito i primi esperimenti in situ e scoperto nuovi fenomeni di crescita e modellamento dei cristalli di ghiaccio. È apparso quindi opportuno combinare nella nostra guida il Freeze Casting metodi sperimentali di freeze casting con tecniche di analisi dei processi e dei materiali
Dopo un'introduzione ai vari processi di colata a freddo batch e continua e una breve descrizione della liofilizzazione (liofilizzazione), il Primer fornisce una panoramica sulle numerose tecniche di caratterizzazione per l'analisi delle architetture complesse e gerarchiche dei materiali e delle proprietà dei materiali.
Sono evidenziate le capacità e i punti di forza unici della tomoscopia a raggi X, che consente di analizzare la crescita dei cristalli e la dinamica della formazione della struttura in tutte le classi di materiali (polimeri, ceramiche, metalli e loro compositi) durante la solidificazione in tempo reale e 3D. /P>
"Ciò è particolarmente interessante quando desideriamo quantificare la crescita anisotropica dei cristalli, come quella nelle soluzioni acquose e nei fanghi, in cui i cristalli si estendono nelle diverse direzioni dei cristalli a velocità diverse", afferma García-Moreno.
Il processo di freezecasting è stato sviluppato più di 40 anni fa per la produzione di scaffold in tessuto. Ben presto divenne evidente che i materiali congelati, grazie alla loro struttura altamente porosa, potevano integrarsi bene con i tessuti ospiti e supportare i processi di guarigione.
Oggi, i materiali liofilizzati sono ampiamente utilizzati non solo in biomedicina ma anche in ingegneria, dai catalizzatori innovativi agli elettrodi altamente porosi per batterie o celle a combustibile. È possibile utilizzare un'ampia varietà di solventi, soluti e particelle per creare le strutture, le forme e le funzionalità desiderate.
Come funziona il freeze casting?
Innanzitutto, una sostanza viene sciolta o sospesa in un solvente, in questo caso acqua, e posta in uno stampo. Quindi viene applicata una velocità di raffreddamento ben definita al fondo dello stampo in rame per solidificare direzionalmente il campione. Dopo la solidificazione, si verifica una separazione di fase in un solvente puro, in questo caso ghiaccio, e un soluto e particelle, con il ghiaccio che modella la fase soluto/particelle.
Una volta che il campione si è completamente solidificato, il solvente solido viene rimosso mediante sublimazione durante la liofilizzazione. La liofilizzazione rivela l'impalcatura altamente porosa, modellata sul ghiaccio, un solido cellulare, le cui pareti cellulari sono composte dal soluto/particella che si autoassembla durante la solidificazione.
La dimensione e il numero dei pori, la loro geometria e orientamento, l'imballaggio delle particelle e le caratteristiche superficiali delle pareti cellulari e con esse le proprietà meccaniche, termiche, magnetiche e di altro tipo del materiale possono essere adattate per l'applicazione desiderata.
Per ottenere ulteriori informazioni sulla scienza fondamentale della freeze casting, sono previsti esperimenti da eseguire sulla Stazione Spaziale Internazionale. Questo perché la microgravità della ISS, ovvero una forza gravitazionale enormemente ridotta, minimizza gli effetti della sedimentazione e della convezione sulla formazione della struttura.
Gli esperti si aspettano che ciò porti a ulteriori progressi nella comprensione dei processi di colata a freddo e nella produzione di materiali progettati su misura e privi di difetti.
Ulteriori informazioni: Ulrike G. K. Wegst et al, Colata a freddo, Primer sui metodi di Nature Reviews (2024). DOI:10.1038/s43586-024-00307-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
