Вчені навчилися «виморожувати» пористі матеріали

Вчені з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі розробили спосіб значного поліпшення технології заморожувального лиття (freeze casting). Дослідники запропонували використовувати подвійний температурний градієнт, що дозволяє контрольовано вирощувати спрямовані пористі структури. Подібні структури характерні для біомінералів, таких як перламутр або кістка. Результати роботи автори опублікували в.

Технологія freeze casting дозволяє отримувати пористі керамічні структури субміліметрового розміру. Суть технології досить проста: у воду, що містить мікро- і субмікро- частинки речовини, з якої необхідно отримати матеріал, поміщається охолоджувальний елемент, що найчастіше являє собою пристрій типу «холодний палець» (пальцеобразна трубка, здатна охолоджуватися до низьких температур, зазвичай працює за рахунок ефекту поглинання тепла при випаровуванні). На «пальці» при охолодженні утворюється впорядкована структура з кристалів льоду, що служить матрицею (шаблоном) при подальшому облозі частинок. Після осадження частинок на підкладку, лід видаляють вигонкою (пряме пароутворення, минаючи рідку фазу). Таким чином, метод дозволяє отримувати різні пористі структури, що володіють механічними властивостями, не характерними для об'ємних матеріалів: наприклад, кістки є одночасно міцними і легкими за рахунок своєї пористої структури.

Однак при використанні цієї технології утворюються полідомені кристалічні структури, тобто в різних областях підкладки кристаліки льоду орієнтують частинки по-різному. У результаті виходять локально впорядковані структури, які не є такими при збільшенні масштабу. Природні матеріали не володіють таким недоліком, тому дослідники запропонували модифікацію методу.

Вчені додали до нижньої частини «пальця» полідіметилсілоксанові клини, спрямовані під різними кутами. При охолодженні нижній кінець клину має температуру нижче, ніж верхній. В результаті лід починає замерзати не по всій поверхні «пальця», а безпосередньо на кордоні клін-палець. Через нахилу клину крім вертикального створюється ще й горизонтальний градієнт температури, що призводить до гвинтоподібного наростання льоду на палець. При цьому темплатний масив кристалів льоду виходить однодоменним (тобто має однакову орієнтацію по всій області), дозволяючи отримувати точно такі ж однодоменні структури.

Як демонстрацію працездатності нового методу, автори синтезували пористу прошарковиту каркасну кераміку з гідроксиапатиту (мінерал кальцію, який є основним компонентом кісток). Подібні матеріали вкрай затребувані при створенні біорезорбованих (поступово розчиняються в організмі із заміщенням на природну тканину) кісткових імплантів.