A modelagem de gelo é uma técnica poderosa para construir materiais biológicos usando nucleação e crescimento de gelo para obter arquiteturas de material congelado, mas os cientistas não conseguiram controlar esses dois fatores com métodos eficazes. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Nifang Zhao e uma equipe de cientistas em engenharia química e biológica da Universidade de Zhejiang na China, demonstrou nucleação de gelo sucessiva e crescimento preferencial pela introdução de um gradiente de molhabilidade em um dedo frio (um dispositivo de laboratório usado para gerar uma superfície fria localizada). O trabalho destacou a capacidade de aproveitar a rica capacidade de design dos padrões de molhabilidade da superfície para projetar materiais a granel de alto desempenho com arquiteturas complexas bioinspiradas.

Desenvolvendo materiais bioinspirados no laboratório

Materiais bioinspirados com base na natureza, ossos e dentes há muito servem como fonte de inspiração para o desenvolvimento de materiais estruturais de alto desempenho. Os materiais biológicos podem realizar excelentes propriedades mecânicas para construir arquiteturas hierárquicas sofisticadas nos níveis nano / micro e macroscópico. Por exemplo, bioengenheiros desenvolveram vários métodos no passado para projetar compósitos miméticos de nácar (camada iridescente de concha de molusco), que incluem fundição por congelamento e impressão tridimensional (3-D). Congelamento, também conhecido como modelagem de gelo é uma técnica poderosa com controle arquitetônico, baixo custo e versatilidade para projetar compostos nacariméticos de alto desempenho e montar uma variedade de blocos de construção. Durante o processo, cristais de gelo podem nuclear em uma superfície fria e crescer em uma direção preferencial ao longo do gradiente de temperatura, e a equipe pode controlar os fatores que contribuem para o processo, para modelar a arquitetura do material poroso resultante. Zhao et al. portanto, focado na engenharia de superfície modulando ou controlando a molhabilidade da superfície. Para conseguir isso, eles introduziram um gradiente de molhabilidade para controlar a nucleação e o crescimento do gelo em uma superfície fria. O trabalho mostrou como a molhabilidade da superfície permitiu a engenharia de materiais a granel com arquiteturas biomiméticas sofisticadas.

Técnica de congelamento de prova de conceito

Como prova de conceito, a equipe usou uma pasta aquosa de partículas de hidroxiapatita (HA) e comparou os processos de fundição por congelamento em superfícies com vários graus de molhabilidade para observar as microestruturas experimentais resultantes. Durante os processos tradicionais de fundição por congelamento, a pasta estava em contato direto com um não modificado, substrato de cobre homogeneamente hidrofílico. Após o resfriamento, a equipe gerou um gradiente vertical de temperatura para orientar o crescimento preferencial dos cristais de gelo de baixo para cima. Devido à natureza hidrofílica (amante da água) do substrato de cobre, a nucleação do gelo ocorreu simultaneamente em toda a superfície, qual Zhao et al. observada usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). Eles então repetiram o mesmo processo de fundição por congelamento em uma superfície de cobre hidrofóbica. Embora a taxa de nucleação de gelo tenha atrasado em superfícies hidrofóbicas como esperado, o processo ocorreu aleatoriamente em todo o material. Com base na mesma ideia, os cientistas projetaram padrões mais complexos para fundição por congelamento, incluindo modificações na superfície do cobre com silano (abreviado POTS) por meio de revestimento por imersão programado para alterar o ângulo de contato com a água da superfície e a molhabilidade.

Observando o processo de congelamento e propondo um mecanismo de congelamento

Zhao et al. observou o processo de fundição por congelamento usando um microscópio óptico. Durante os experimentos, eles selaram um molde de Teflon a um substrato de cobre e despejaram uma pasta com 20 por cento de partículas de HA no molde para observar a nucleação de cristais de gelo da região hidrofílica para a região hidrofóbica. Eles creditaram o fenômeno às taxas de nucleação induzidas pela molhabilidade da superfície e estudaram os efeitos do gradiente de molhabilidade, incluindo a velocidade de congelamento e a concentração de partículas na microestrutura.

Eles propuseram um possível mecanismo para controlar estruturas fundidas por congelamento controlando a molhabilidade da superfície. Por esta, a equipe estudou as principais premissas de nucleação de cristal de gelo e crescimento preferencial e combinou os dois mecanismos para realizar arquiteturas complexas em materiais fundidos por congelamento. Os cientistas visualizaram o processo usando um microscópio de fluorescência depois de misturar a pasta de HA com uma pequena quantidade de microesferas de poliestireno fluorescente. As partículas alinhadas no meio forçaram então sucessivos cristais de gelo a crescer em orientações semelhantes e formar uma estrutura lamelar de longo alcance. O trabalho sugeriu que a molhabilidade da superfície, em vez do tipo de material, determinava a orientação dos cristais de gelo.

Desenvolvendo um compósito nacre-mimético de alto desempenho e testando suas propriedades mecânicas

Os cientistas sinterizaram e compuseram o andaime HA contendo uma estrutura lamelar alinhada de longo alcance com um material polimérico, para gerar compósitos nacariméticos de alto desempenho. A estrutura bem orientada imitou a arquitetura de tijolo e molar do nácar natural, como confirmado com micro tomografia computadorizada. Zhao et al. manteve a concentração de partículas e a velocidade de crescimento do gelo durante todo o processo de fundição por congelamento para obter amostras de grande tamanho com estrutura uniforme.

Para detectar as propriedades mecânicas da estrutura resultante, a equipe comparou as propriedades de flexão dos compósitos HA / polímero desenvolvidos por freeze-casting em gradientes e superfícies homogêneas. As propriedades mecânicas dos compósitos nacre-miméticos foram superiores aos preparados em superfícies homogeneamente hidrofóbicas ou hidrofílicas. O trabalho mostrou a vantagem da estrutura lamelar de longo alcance e verificou a fundição por congelamento em uma superfície de gradiente como uma abordagem eficaz para formar compósitos nacre-miméticos de alto desempenho.

Projetando um padrão de molhabilidade de superfície

A equipe também demonstrou a capacidade de projetar um padrão de molhabilidade de superfície por congelamento em superfícies de cobre contendo um gradiente de molhabilidade linear de duas camadas e um gradiente de molhabilidade radial. Eles obtiveram duas estruturas representativas com padrões lamelares alinhados e circulares, não era possível anteriormente com as técnicas convencionais de fundição por congelamento. Zhao et al. em seguida, analisou as propriedades mecânicas dos compósitos para entender seu desempenho e os resultados confirmaram a possibilidade de aproveitar a rica projetabilidade dos padrões de molhabilidade da superfície para construir materiais a granel de alto desempenho com arquitetura bioinspirada complexa.

Desta maneira, Nifang Zhao e colegas mostraram como a nucleação e o crescimento do gelo podem ser controlados pela introdução de um gradiente de molhabilidade em uma superfície fria para controlar a orientação dos cristais de gelo e a arquitetura do material poroso resultante. Usando o conceito, eles obtiveram uma estrutura lamelar alinhada de longo alcance e se infiltraram no andaime poroso para gerar um compósito nacarimético de alto desempenho com excelente resistência e tenacidade. O trabalho destaca o potencial da molhabilidade da superfície e sua rica capacidade de design para construir padrões para arquiteturas complexas bioinspiradas com alto desempenho. p © 2020 Science X Network