Ученые научились «вымораживать» пористые материалы
Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли разработали способ значительного улучшения технологии замораживающего литья (freeze casting). Исследователи предложили использовать двойной температурный градиент, позволяющий контролируемо выращивать направленные пористые структуры. Подобные структуры характерны для биоминералов, таких как перламутр или кость. Результаты работы авторы опубликовали в Science Advances.
Технология freeze casting позволяет получать пористые керамические структуры субмиллиметрового размера. Суть технологии довольно проста: в воду, содержащую микро- и субмикро- частицы вещества, из которого необходимо получить материал, помещается охлаждающий элемент, чаще всего представляющий собой устройство типа «холодный палец» (пальцеобразная трубка, способная охлаждаться до низких температур, обычно работает за счет эффекта поглощения тепла при испарении). На «пальце» при охлаждении образуется упорядоченная структура из кристалликов льда, служащая матрицей (шаблоном) при дальнейшем осаждении частиц. После осаждения частиц на подложку, лед удаляют возгонкой (прямое парообразование, минуя жидкую фазу). Таким образом, метод позволяет получать различные пористые структуры, обладающие механическими свойствами, не характерными для объемных материалов: например, кости являются одновременно прочными и легкими за счет своей пористой структуры.
Однако при использовании этой технологии образуются полидоменные кристаллические структуры, т.е. в разных областях подложки кристаллики льда ориентируют осаждающиеся частицы по-разному. В результате получаются локально упорядоченные структуры, которые не являются таковыми при увеличении масштаба. Природные материалы не обладают таким недостатком, поэтому исследователи предложили модификацию метода.
Ученые добавили к нижней части «пальца» полидиметилсилоксановые клинья, направленные под различными углами. При охлаждении нижний конец клина имеет температуру ниже, чем верхний. В результате лед начинает замерзать не по всей поверхности «пальца», а непосредственно на границе клин-палец. Из-за наклона клина кроме вертикального создается еще и горизонтальный градиент температуры, что приводит к винтообразному нарастанию льда на палец. При этом темплатный массив кристалликов льда получается однодоменным (т.е. имеет одинаковую ориентацию по всей области), позволяя получать точно такие же однодоменные структуры.
В качестве демонстрации работоспособности нового метода, авторы синтезировали пористую слоистую каркасную керамику из гидроксиапатита (минерал кальция, который является основным компонентом костей). Подобные материалы крайне востребованы при создании биорезорбируемых (постепенно растворяющихся в организме с замещением на естественную ткань) костных имплантов.