(PhysOrg.com) - La congelación de suspensiones de partículas no siempre es un fenómeno uniforme; en determinadas condiciones conduce a una modificación de la redistribución de partículas y al crecimiento de cristales.

Estos resultados han sido obtenidos por investigadores del Laboratoire de Synthčse et Fonctionnalisation des Céramiques y el Laboratoire Matériaux, Ingénierie et Sciences, Francia, observando, a través de imágenes de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), el movimiento de partículas mientras se congelan. Su trabajo podría facilitar no solo el desarrollo de materiales porosos con propiedades específicas, sino también comprender mejor los mecanismos de congelación de los suelos en invierno. que puede tener un impacto considerable en las plantas, carreteras y vías públicas. Estos resultados se publicaron en línea en la revista Materiales de la naturaleza el 8 de noviembre de 2009.

¿Cuál es la conexión entre la formación de hielo marino en los polos, suelos helados en invierno, criopreservación de células, síntesis de helados y materiales compuestos? Todas estas situaciones involucran la propagación de una interfaz de solidificación y su encuentro con partículas, microorganismos o burbujas en suspensión en un líquido. Aunque el fenómeno se puede describir en pocas palabras, Sin embargo, su mecanismo y control siguen siendo extremadamente complejos y aún están lejos de ser completamente entendidos.

Hasta ahora, Los estudios han simplificado el problema al considerar una sola partícula frente a una interfaz plana que se propaga a baja velocidad. En la mayoría de situaciones, sin embargo, la interfaz se propaga rápidamente, no es plano, hay una multitud de partículas y las numerosas interacciones entre las partículas juegan un papel considerable en la forma en que se comporta el sistema. El comportamiento de la interfaz en estas condiciones, crítico en numerosas aplicaciones, todavía es poco conocido en su mayor parte y es difícil de observar experimentalmente, ya que los fenómenos tienen lugar a escalas dimensionales pequeñas y a gran velocidad.

Los investigadores han abordado el problema utilizando imágenes de rayos X. Se beneficiaron del acceso durante varios días a la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, una línea de la cual (ID19) está dedicada a la obtención de imágenes de rayos X.

Al congelar una suspensión concentrada de partículas cerámicas, los investigadores pudieron observar in situ el crecimiento de cristales de hielo y el movimiento de partículas durante la congelación. Luego obtuvieron una imagen tridimensional de los cristales de hielo después de congelarlos aprovechando las diferencias en la absorción de rayos X entre el hielo y las partículas. Luego, los investigadores pudieron demostrar que, bajo ciertas condiciones, la interfaz "salta", acelerando de manera puntuada y modificando la redistribución de partículas y el crecimiento de cristales. Explican este resultado mediante un retorno sistemático de la interfaz al equilibrio cuando se le da suficiente tiempo para hacerlo, lo cual es extremadamente interesante para los investigadores en ciencia de materiales.

De hecho, el fenómeno de la congelación se puede utilizar para desarrollar materiales porosos con estructuras biomiméticas específicas, cuyas propiedades mecánicas parecen ser particularmente prometedoras para una amplia gama de aplicaciones en la energía, campos de la química y la biología. Por lo tanto, cuando la interfaz se propaga de manera irregular, aparecen numerosos defectos que debilitan la estructura, que afectan significativamente sus propiedades finales. Por tanto, estos resultados proporcionan la clave para trabajar en condiciones en las que tales defectos están ausentes y arrojan nueva luz sobre los mecanismos naturales de congelación. De hecho, la congelación de los suelos en invierno tiene consecuencias bastante considerables en las plantas y las carreteras. La formación de hielo marino, donde la sal y los microorganismos se expulsan entre los cristales de hielo, juega un papel importante en los intercambios térmicos entre la atmósfera y los océanos.

Más información: Solidificación celular metaestable e inestable de suspensiones coloidales; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Materiales de la naturaleza , 8 de noviembre de 2009. doi:10.1038 / nmat2571 "target =" _ blank "> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

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