Técnica de freeze-casting utilizando superficies de cobre con diferente humectabilidad y los andamios resultantes. Las imágenes SEM se tomaron de la sección transversal de 1 cm de altura paralela a la superficie fría. (A a D) Al congelar sobre sustratos de cobre homogéneamente hidrófilos e hidrófobos, los cristales de hielo se nuclean simultáneamente sobre las superficies y crecen sin una dirección preferida, dando como resultado una estructura laminar de corto alcance que contiene varios dominios orientados aleatoriamente. (E y F) Cuando se congela sobre una superficie de cobre con un gradiente de humectabilidad lineal, los cristales de hielo se alinean perpendicularmente al gradiente, resultando en una estructura laminar de largo alcance con un solo dominio. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb4712
La creación de plantillas de hielo es una técnica poderosa para construir materiales biológicos utilizando la nucleación y el crecimiento del hielo para obtener arquitecturas de materiales congelados. pero los científicos no han podido controlar estos dos factores con métodos efectivos. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Nifang Zhao y un equipo de científicos en ingeniería química y biológica de la Universidad de Zhejiang en China, demostraron nucleación sucesiva de hielo y crecimiento preferencial mediante la introducción de un gradiente de humectabilidad en un dedo frío (un dispositivo de laboratorio utilizado para generar una superficie fría localizada). El trabajo destacó la capacidad de aprovechar la rica capacidad de diseño de los patrones de humectabilidad de la superficie para diseñar materiales a granel de alto rendimiento con arquitecturas complejas bioinspiradas.
Desarrollo de materiales bioinspirados en el laboratorio.
Materiales bioinspirados basados en la naturaleza, Los huesos y los dientes han servido durante mucho tiempo como fuente de inspiración para desarrollar materiales estructurales de alto rendimiento. Los materiales biológicos pueden obtener excelentes propiedades mecánicas para construir sofisticadas arquitecturas jerárquicas en los niveles nano / micro y macroscópico. Por ejemplo, Los bioingenieros habían desarrollado varios métodos en el pasado para diseñar nácar (capa iridiscente de caparazón de moluscos):compuestos miméticos, que incluyen la fundición por congelación y la impresión tridimensional (3-D). Fundición por congelación, también conocida como plantilla de hielo es una técnica poderosa con precisión, control arquitectónico, bajo costo y versatilidad para diseñar compuestos miméticos de nácar de alto rendimiento y ensamblar una variedad de bloques de construcción. Durante el proceso, Los cristales de hielo pueden nuclearse en una superficie fría y crecer en una dirección preferida a lo largo del gradiente de temperatura. y el equipo puede controlar los factores que contribuyen al proceso, para modelar la arquitectura del material poroso resultante. Zhao y col. por lo tanto, se centró en la ingeniería de superficies modulando o controlando la humectabilidad de la superficie. Para lograr esto, introdujeron un gradiente de humectabilidad para controlar la nucleación y el crecimiento del hielo en una superficie fría. El trabajo mostró cómo la humectabilidad de la superficie permitió diseñar materiales a granel con arquitecturas biomiméticas sofisticadas.
Observación del proceso de congelación. (A) Imágenes ópticas de vista superior que muestran la nucleación sucesiva de cristales de hielo desde la región hidrófila a la hidrófoba y el crecimiento orientado perpendicular al gradiente de humectabilidad. (B) Ilustración esquemática del proceso de congelación que muestra nucleación sucesiva y crecimiento preferencial. (C) Ilustración esquemática de termopares que registran la variación de temperatura por encima de las regiones hidrófila e hidrófoba de la superficie del gradiente. (D) Variación de temperatura de tres zonas a lo largo del tiempo. (E) Ampliado de (D) que muestra que la nucleación del hielo comienza más rápido en la región hidrófila. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb4712
Técnica de congelación de prueba de concepto
Como prueba de concepto, El equipo utilizó una suspensión acuosa de partículas de hidroxiapatita (HA) y comparó los procesos de fundición por congelación en superficies con varios grados de humectabilidad para observar las microestructuras experimentales resultantes. Durante los procesos tradicionales de fundición por congelación, la lechada estaba en contacto directo con un sustrato de cobre homogéneamente hidrófilo. Al enfriarse, el equipo generó un gradiente de temperatura vertical para guiar el crecimiento preferencial de los cristales de hielo de abajo hacia arriba. Debido a la naturaleza hidrofílica (amante del agua) del sustrato de cobre, la nucleación del hielo ocurrió simultáneamente a través de la superficie, que Zhao et al. observado usando microscopía electrónica de barrido (SEM). Luego repitieron el mismo proceso de fundición por congelación en una superficie de cobre hidrófobo. Aunque la tasa de nucleación del hielo se retrasó en superficies hidrófobas como se esperaba, el proceso se produjo de forma aleatoria en todo el material. Basado en la misma idea, Los científicos diseñaron patrones más complejos para la fundición por congelación, incluidas modificaciones de la superficie de cobre con silano (abreviado POTS) mediante un recubrimiento por inmersión programado para cambiar el ángulo de contacto del agua de la superficie y la humectabilidad.
Observando el proceso de congelación y proponiendo un mecanismo de congelación
Zhao y col. observó el proceso de congelación-fundición utilizando un microscopio óptico. Durante los experimentos sellaron un molde de teflón a un sustrato de cobre y vertieron una suspensión con 20 por ciento de partículas de HA en el molde para observar la nucleación de los cristales de hielo desde la región hidrófila a la región hidrófoba. Atribuyeron el fenómeno a las tasas de nucleación inducidas por la humectabilidad de la superficie y estudiaron los efectos del gradiente de humectabilidad, incluida la velocidad de congelación y la concentración de partículas en la microestructura.
Observando el proceso de congelación con el gradiente de humectabilidad. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb4712
Propusieron un posible mecanismo para controlar las estructuras coladas por congelación controlando la humectabilidad de la superficie. Para esto, el equipo estudió los supuestos clave de la nucleación de cristales de hielo y el crecimiento preferencial y combinó los dos mecanismos para realizar arquitecturas complejas en materiales congelados. Los científicos visualizaron el proceso usando un microscopio de fluorescencia después de mezclar la suspensión de HA con una pequeña cantidad de microesferas de poliestireno fluorescente. Las partículas alineadas en el medio luego forzaron sucesivos cristales de hielo a crecer en orientaciones similares y formar una estructura laminar de largo alcance. El trabajo sugirió que la humectabilidad de la superficie, más que el tipo de material, determinaba la orientación de los cristales de hielo.
Observación del proceso de congelación en una superficie homogénea frente a una superficie de gradiente lineal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb4712
Desarrollar un compuesto mimético de nácar de alto rendimiento y probar sus propiedades mecánicas
Los científicos sinterizaron y compusieron el andamio de HA que contiene una estructura laminar alineada de largo alcance con un material polimérico, para generar composites nácar-miméticos de alto rendimiento. La estructura bien orientada imitaba la arquitectura de ladrillo y molar del nácar natural, como se confirmó con la tomografía microcomputada. Zhao y col. mantuvo la concentración de partículas y la velocidad de crecimiento del hielo durante todo el proceso de fundición por congelación para obtener muestras de gran tamaño con estructura uniforme.
Para detectar las propiedades mecánicas de la estructura resultante, El equipo comparó las propiedades de flexión de los compuestos HA / polímero desarrollados por fundición por congelación en superficies gradientes y homogéneas. Las propiedades mecánicas de los compuestos nácar-miméticos fueron superiores a las preparadas sobre superficies homogéneamente hidrófobas o hidrófilas. El trabajo demostró que la ventaja de la estructura laminar de largo alcance y la fundición por congelación verificada en una superficie de gradiente son un método eficaz para formar compuestos miméticos de nácar de alto rendimiento.
Propiedades mecánicas del composite nácar-mimético. (A) Curvas de flexión de tres puntos de los compuestos HA / PMMA preparados con los tres tipos de superficies. (B y C) La resistencia a la flexión, El módulo de Young, y los trabajos de fractura del composite nácar-mimético son mejores que los preparados con superficies homogéneamente hidrofílicas e hidrofóbicas. (D a F) Imágenes SEM que muestran que el compuesto mimético de nácar comparte el mismo mecanismo de endurecimiento con el nácar natural. (D) Superficie de fractura que muestra el desgarro de las capas de PMMA. (E) Bajo la prueba de flexión con muescas de un solo borde, la grieta se inicia desde la muesca y se propaga a lo largo de un camino tortuoso. (F) Imagen SEM ampliada de (E) que muestra una falla en la interfaz, puenteo de grietas, y defectos cerámicos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb4712
Diseñar un patrón de humectabilidad de la superficie
El equipo también mostró la capacidad de diseñar un patrón de humectabilidad de la superficie mediante fundición por congelación en superficies de cobre que contienen un gradiente de humectabilidad lineal bicapa y un gradiente de humectabilidad radial. Obtuvieron dos estructuras representativas con patrones lamelares circulares y alineados cruzados, anteriormente no era posible con las técnicas convencionales de congelación. Zhao y col. luego analizó las propiedades mecánicas de los compuestos para comprender su desempeño y los resultados confirmaron la posibilidad de aprovechar la rica capacidad de diseño de los patrones de humectabilidad de la superficie para construir materiales a granel de alto desempeño con una compleja arquitectura bioinspirada.
De este modo, Nifang Zhao y sus colegas demostraron cómo se puede controlar la nucleación y el crecimiento del hielo mediante la introducción de un gradiente de humectabilidad en una superficie fría para controlar la orientación de los cristales de hielo y la arquitectura del material poroso resultante. Usando el concepto, obtuvieron una estructura laminar alineada de largo alcance y se infiltraron en el andamio poroso para generar un compuesto mimético de nácar a granel de alto rendimiento con excelente resistencia y tenacidad. El trabajo destaca el potencial de humectabilidad de la superficie y su rica capacidad de diseño para construir patrones para arquitecturas complejas bioinspiradas con alto rendimiento.
© 2020 Science X Network
