La fundición por congelación es una técnica de fabricación elegante y rentable para producir materiales altamente porosos con arquitecturas jerárquicas diseñadas a medida, orientación de poros bien definida y estructuras superficiales multifuncionales. Los materiales congelados son adecuados para muchas aplicaciones, desde biomedicina hasta ingeniería ambiental y tecnologías energéticas.
Un artículo en Introductores de métodos de Nature Reviews ahora proporciona una guía para los métodos de congelación que incluye una descripción general de las aplicaciones actuales y futuras y destaca las técnicas de caracterización con un enfoque en la tomoscopia de rayos X.
"Nos alegramos mucho cuando la revista Nature nos ofreció la oportunidad de preparar un [Primer] con instrucciones y una descripción general del proceso", dice la científica de materiales Prof. Ulrike Wegst (Universidad Northeastern, Boston, MA, EE. UU. y TU Berlín).
"Junto con los expertos en tomoscopia Dr. Francisco García-Moreno y Dr. Paul Kamm (tanto HZB como TU Berlin), el Dr. Kaiyang Yin (ahora investigador Humboldt en la Universidad de Friburgo) y yo acabábamos de realizar los primeros experimentos in situ y descubrimos Nuevos fenómenos de crecimiento de cristales de hielo y plantillas. Por lo tanto, parecía oportuno combinar en nuestra guía Freeze Casting métodos experimentales de congelación con técnicas de análisis de procesos y materiales.
Después de una introducción a los diversos procesos de liofilización continua y por lotes, y un breve resumen de la liofilización (liofilización), el Manual proporciona una descripción general de las numerosas técnicas de caracterización para el análisis de las arquitecturas y propiedades de los materiales complejas y jerárquicas.
Se destacan las capacidades y fortalezas únicas de la tomoscopia de rayos X, que permite analizar el crecimiento de cristales y la dinámica de formación de estructuras en todas las clases de materiales (polímeros, cerámicas, metales y sus compuestos) durante la solidificación en tiempo real y en 3D. /P>
"Esto resulta especialmente atractivo cuando queremos cuantificar el crecimiento de cristales anisotrópicos, como el de soluciones acuosas y lodos, en los que los cristales se extienden en diferentes direcciones a diferentes velocidades", afirma García-Moreno.
El proceso de congelación por congelación se desarrolló hace más de 40 años para la producción de armazones de tejido. Pronto se hizo evidente que los materiales congelados, debido a su estructura altamente porosa, podían integrarse bien con los tejidos del huésped y favorecer los procesos de curación.
Hoy en día, los materiales congelados se utilizan ampliamente no sólo en biomedicina sino también en ingeniería, desde catalizadores innovadores hasta electrodos altamente porosos para baterías o pilas de combustible. Se puede utilizar una amplia variedad de disolventes, solutos y partículas para crear las estructuras, formas y funcionalidades deseadas.
¿Cómo funciona el casting congelado?
Primero, una sustancia se disuelve o suspende en un disolvente, en este caso agua, y se coloca en un molde. Luego se aplica una velocidad de enfriamiento bien definida al fondo del molde de cobre para solidificar direccionalmente la muestra. Tras la solidificación, se produce una separación de fases en un disolvente puro, en este caso hielo, y un soluto y partículas, donde el hielo actúa como plantilla de la fase soluto/partícula.
Una vez que la muestra se ha solidificado completamente, el disolvente sólido se elimina mediante sublimación durante la liofilización. La liofilización revela la estructura altamente porosa con plantilla de hielo, un sólido celular, cuyas paredes celulares están compuestas por el soluto/partícula que se autoensambló durante la solidificación.
El tamaño y número de poros, su geometría y orientación, el empaquetado de partículas y las características de la superficie de las paredes celulares y con ello las propiedades mecánicas, térmicas, magnéticas y otras propiedades del material se pueden adaptar para una aplicación deseada.
Para obtener más información sobre la ciencia fundamental de la congelación, se planean realizar experimentos en la Estación Espacial Internacional. Esto se debe a que la microgravedad de la ISS, es decir, una fuerza gravitacional enormemente reducida, minimiza los efectos de la sedimentación y la convección en la formación de estructuras.
Los expertos esperan que esto conduzca a mayores avances en la comprensión de los procesos de fundición por congelación y la fabricación de materiales diseñados a medida y sin defectos.
Más información: Ulrike G. K. Wegst et al, Freeze casting, Nature Reviews Methods Primers (2024). DOI:10.1038/s43586-024-00307-5
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
