冰冻浇铸：创建分级结构材料的指南

冰冻铸造：创建分级结构材料的指南

冰冻铸造是一种优雅、经济高效的制造技术，可生产高度多孔的材料，具有定制的分级结构、明确定向孔隙和多功能表面结构。冰冻铸造材料适用于从生物医学到环境工程和能源技术等许多领域。一篇发表在《自然评论方法简介》中的文章现提供了冰冻铸造方法的指南，包括对当前和未来应用的概述，并重点介绍了以X射线断层扫描为焦点的表征技术。

观察过程与X射线断层扫描

在介绍了各种批量和连续冰冻铸造过程以及冷冻干燥的简要概述之后，该指南提供了对复杂、分级材料结构和材料性质分析的众多表征技术的概述。重点强调了X射线断层扫描的独特能力和优势，它允许实时和三维地分析所有类别材料（聚合物、陶瓷、金属及其复合材料）在凝固过程中的晶体生长和结构形成动态。"当我们希望量化异向晶体生长时，比如在水溶液和泥浆中，晶体在不同的晶体方向上以不同的速度延伸时，这一点尤为吸引人,"García-Moreno说道。

从组织支架到多孔电极

冰冻铸造工艺于40多年前用于生产组织支架。很快就显现出，由于其高度多孔的结构，冰冻铸造材料可以与宿主组织良好整合并支持愈合过程。今天，冰冻铸造材料不仅在生物医学领域广泛应用，还在工程领域得到应用，从创新催化剂到用于电池或燃料电池的高度多孔电极。可以使用各种溶剂、溶质和颗粒来创建所需的结构、形状和功能。

冰冻铸造的工作原理是什么？

首先，将物质溶解或悬浮在溶剂中，这里是水，并置于模具中。然后，在铜模底部施加一个明确定向的冷却速率，使样品方向凝固。在固化后，发生纯溶剂（这里是冰）和溶质/颗粒的相分离，冰模板化溶质/颗粒相。一旦样品完全固化，通过冷冻干燥去除固态溶剂。冷冻干燥揭示了高度多孔、冰模板化支架，一种由在固化过程中自组装的溶质/颗粒构成的多孔固体。可以根据所需的应用定制孔的大小和数量、它们的几何形状和方向、颗粒的包装以及单元壁的表面特性，从而调节材料的机械、热、磁性和其他性质。

展望：在微重力下对过程的新认识

为了进一步了解冰冻铸造的基础科学，计划在国际空间站上进行实验。这是因为国际空间站的微重力，即巨大减小的重力作用，最小化了沉积和对流对结构形成的影响。专家们期望这将进一步推动对冰冻铸造过程和定制、无缺陷材料的制造的理解。