(PhysOrg.com) -- Il congelamento delle sospensioni di particelle non è sempre un fenomeno uniforme; in certe condizioni porta ad una modificazione della ridistribuzione delle particelle e alla crescita dei cristalli.

Questi risultati sono stati ottenuti dai ricercatori del Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques e del Laboratoire Matériaux, Ingegneria e Scienze, Francia, osservando, attraverso l'imaging a raggi X presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), il movimento delle particelle mentre vengono congelate. Il loro lavoro potrebbe facilitare non solo lo sviluppo di materiali porosi con proprietà specifiche, ma anche la comprensione dei meccanismi di congelamento dei terreni in inverno, che possono avere un notevole impatto sulle piante, strade e arterie stradali. Questi risultati sono stati pubblicati on-line sulla rivista Materiali della natura l'8 novembre 2009.

Qual è la connessione tra la formazione di ghiaccio marino ai poli, terreni ghiacciati in inverno, crioconservazione delle cellule, sintesi di gelato e materiale composito? Tutte queste situazioni comportano la propagazione di un'interfaccia di solidificazione e il suo incontro con particelle, microrganismi o bolle in sospensione in un liquido. Sebbene il fenomeno possa essere descritto in poche parole, il suo meccanismo e controllo rimangono tuttavia estremamente complessi e ancora lontani dall'essere pienamente compresi.

Fino ad ora, gli studi hanno semplificato il problema considerando solo una singola particella davanti a un'interfaccia piatta che si propaga a bassa velocità. Nella maggior parte delle situazioni, tuttavia, l'interfaccia si propaga rapidamente, non è piatto, ci sono una moltitudine di particelle e le numerose interazioni tra le particelle giocano un ruolo considerevole sul comportamento del sistema. Il comportamento dell'interfaccia in queste condizioni, critico in numerose applicazioni, è ancora per lo più poco compreso e difficile da osservare sperimentalmente, poiché i fenomeni avvengono a piccole scale dimensionali e ad alta velocità.

I ricercatori hanno affrontato il problema utilizzando l'imaging a raggi X. Hanno beneficiato dell'accesso per diversi giorni all'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble, una delle quali (ID19) è dedicata all'imaging a raggi X.

Congelando una sospensione concentrata di particelle ceramiche, i ricercatori hanno potuto osservare in situ la crescita dei cristalli di ghiaccio e il movimento delle particelle durante il congelamento. Hanno quindi ottenuto un'immagine tridimensionale dei cristalli di ghiaccio dopo il congelamento sfruttando le differenze nell'assorbimento dei raggi X tra il ghiaccio e le particelle. I ricercatori sono stati quindi in grado di dimostrare che, a determinate condizioni, l'interfaccia “salta”, accelerando in modo punteggiato e modificando la ridistribuzione delle particelle e la crescita dei cristalli. Spiegano questo risultato con un ritorno sistematico dell'interfaccia all'equilibrio quando gli viene dato abbastanza tempo per farlo, che è estremamente interessante per i ricercatori di scienza dei materiali.

Il fenomeno del congelamento può infatti essere sfruttato per sviluppare materiali porosi con specifiche strutture biomimetiche, le cui proprietà meccaniche sembrano particolarmente promettenti per un'ampia gamma di applicazioni nel settore energetico, settori della chimica e della biologia. Così, quando l'interfaccia si propaga in modo irregolare, compaiono numerosi difetti che indeboliscono la struttura, che influenzano significativamente le sue proprietà finali. Questi risultati forniscono quindi la chiave per lavorare in condizioni in cui tali difetti sono assenti e gettano nuova luce sui meccanismi naturali di congelamento. Infatti, il congelamento dei suoli in inverno ha conseguenze piuttosto notevoli su piante e strade. La formazione del ghiaccio marino, dove sale e microrganismi vengono espulsi tra i cristalli di ghiaccio, svolge un ruolo importante negli scambi termici tra l'atmosfera e gli oceani.

Maggiori informazioni: Solidificazione cellulare metastabile e instabile di sospensioni colloidali; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Materiali della natura , 8 novembre 2009. doi:10.1038/nmat2571" target="_blank"> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

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