冷冻铸造工艺可用于生产具有大表面积的高多孔性和分层结构的材料。它们适用于各种各样的应用，作为电池电极，催化剂材料或生物医学。
现在，由美国波士顿东北大学的Ulrike G. K. Wegst教授和柏林亥姆霍兹中心的Francisco García Moreno博士领导的一个团队，在Paul Scherrer研究所的瑞士光源中，使用了新开发的x射线断层扫描技术，以高分辨率实时观察了冻结过程中结构形成的过程。糖溶液作为模型系统。
冷冻铸造需要几个步骤:首先，物质溶解或悬浮在溶剂中，然后在底部施加冷却速率(定向凝固)的模具中冷冻。冷冻后，通过升华除去固体溶剂相。剩下的是先前溶解的溶质分子和悬浮粒子，它们形成了复杂的、高度多孔的结构的细胞壁。
冻铸材料可用于许多应用:例如，由于其巨大的内部表面积作为电池电极或催化剂，或者因为其排列孔隙度在生物医学应用中，例如作为周围神经修复的支架。然而，在冷冻过程中，冰究竟是如何形成复杂的结构的，以及期望的蜂窝状排列孔隙和具有各种表面特征的细胞壁是如何形成的，到目前为止，人们仍然知之甚少。
弗朗西斯科García Moreno博士和他在柏林亥姆霍兹中心的团队已经开发出一种方法来详细观察这些高度动态的过程。“使用x射线断层扫描，我们可以以高空间和时间分辨率对原位结构的形成进行成像，甚至可以观察到瞬态现象和过渡结构，”物理学家解释说。
利用超快转盘、强x射线、极快探测器和用于快速分析x射线数据的软件，HZB团队与Paul Scherrer研究所瑞士光源的同事一起，在模型系统和演示中研究了冷冻铸造验证了该方法的高性能。
“在这项研究中，我们开发了一种带有传感器的新型测量单元，可以精确记录温度梯度，”该研究的主要作者保罗·卡姆博士(HZB)说。生成空间分辨率为6µm / s的三维层析图。整个冷冻过程记录了270秒。
来自美国东北大学的Ulrike G. K. Wegst教授建议将糖水溶液作为聚合物模型体系，因为该体系可以通过计算模拟，而且水溶液仍然主导着冷冻铸造过程。Wegst说:“我们现在能够第一次通过实验观察到定向冰晶从液相生长的动力学。”
“在这样做的过程中，这些图像记录了晶体生长过程中的不稳定性是如何形成的，这些不稳定性是如何塑造糖相的，以及细胞壁上如何形成特征的、有机的结构，这些结构让人想起水母和触手。”同样有趣的是，其中一些结构可能会再次消失。
该论文发表在《高级功能材料》杂志上。
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希望本篇文章《实时三维成像技术在冻结铸造结构形成中的应用》能对你有所帮助！
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