Fundición por congelación: guía para crear materiales estructurados jerárquicamente
Diversas aplicaciones no sólo en biomedicina, sino también en ingeniería, desde nuevos catalizadores a electrodos de baterías altamente porosos
La fundición por congelación es una técnica de fabricación elegante y rentable para producir materiales muy porosos con arquitecturas jerárquicas diseñadas a medida, una orientación bien definida de los poros y estructuras superficiales multifuncionales. Los materiales fundidos por congelación son adecuados para muchas aplicaciones, desde la biomedicina a la ingeniería medioambiental y las tecnologías energéticas. Un artículo en "Nature Reviews Methods Primer" ofrece ahora una guía de métodos de fundición por congelación que incluye una visión general de las aplicaciones actuales y futuras y destaca las técnicas de caracterización con especial atención a la tomoscopia de rayos X.
Estuvimos encantados cuando la mundialmente conocida revista Nature nos ofreció la oportunidad de preparar un "Nature Reviews Methods Primer" con instrucciones y una visión general del proceso", dice la científica de materiales Prof. Ulrike Wegst (Northeastern University, Boston, MA, EE.UU. y TU Berlin). "Junto con los expertos en tomoscopia Dr. Francisco García-Moreno y Dr. Paul Kamm (ambos HZB y TU Berlín), 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 y templado de cristales de hielo. Por tanto, nos pareció oportuno combinar en nuestra guía Freeze Casting para Nature Reviews Methods Primers (factor de impacto 39,8), métodos experimentales de colada por congelación con técnicas de análisis de procesos y materiales".
Observación del proceso con tomoscopia de rayos X
Tras una introducción a los diversos procesos de liofilización por lotes y en continuo, y una breve reseña de la liofilización, el manual ofrece una visión general de las numerosas técnicas de caracterización para el análisis de las complejas arquitecturas jerárquicas de los materiales y de sus propiedades. Se destacan las capacidades y ventajas únicas de la tomoscopia de rayos X, que permite analizar el crecimiento de los 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. "Esto resulta especialmente atractivo cuando se desea cuantificar el crecimiento anisótropo de cristales, como el que se produce en soluciones acuosas y lodos, en los que los cristales se extienden en las distintas direcciones cristalinas a diferentes velocidades", afirma García-Moreno.
De andamios tisulares a electrodos porosos
El proceso de liofilización se desarrolló hace más de 40 años para la producción de andamios tisulares. Pronto se vio que los materiales liofilizados, gracias a su estructura muy porosa, podían integrarse bien en los tejidos del huésped y favorecer los procesos de cicatrización. Hoy en día, los materiales liofilizados 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 moldeo por congelación?
En primer lugar, se disuelve o suspende una sustancia en un disolvente, aquí agua, y se coloca en un molde. A continuación, 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, aquí hielo, y un soluto y partículas, con el hielo templando la fase soluto/partículas. Una vez que la muestra se ha solidificado por completo, el disolvente sólido se elimina por sublimación durante la liofilización. La liofilización revela el andamiaje altamente poroso y templado por el hielo, un sólido celular, cuyas paredes celulares están compuestas por el soluto/partícula que se autoensambló durante la solidificación. El tamaño y el número de poros, su geometría y orientación, el empaquetamiento de las partículas y las características superficiales de las paredes celulares y, con ello, las propiedades mecánicas, térmicas, magnéticas y de otro tipo del material pueden adaptarse a la aplicación deseada.
Perspectivas: Nuevos conocimientos sobre el proceso en microgravedad
Para obtener más información sobre la ciencia fundamental de la fundición por congelación, está previsto realizar experimentos en la Estación Espacial Internacional. Esto se debe a que la microgravedad de la ISS, es decir, una fuerza gravitatoria enormemente reducida, minimiza los efectos de la sedimentación y la convección en la formación de estructuras. Los expertos esperan que esto permita seguir avanzando en la comprensión de los procesos de fundición por congelación y en la fabricación de materiales a medida y sin defectos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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