Technique de lyophilisation utilisant des surfaces en cuivre avec différentes mouillabilités et les échafaudages résultants. Les images SEM ont été prises à partir de la section transversale de 1 cm de hauteur parallèle à la surface froide. (A à D) Lors de la congélation sur les substrats de cuivre homogènes hydrophiles et hydrophobes, les cristaux de glace nucléent simultanément sur les surfaces et croissent sans direction privilégiée, résultant en une structure lamellaire à courte portée qui contient divers domaines orientés au hasard. (E et F) Lors de la congélation sur une surface en cuivre avec un gradient de mouillabilité linéaire, les cristaux de glace s'alignent perpendiculairement au gradient, résultant en une structure lamellaire à longue portée avec un seul domaine. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb4712
La mise en glace est une technique puissante pour construire des matériaux biologiques en utilisant la nucléation et la croissance de la glace pour obtenir des architectures de matériaux congelés, mais les scientifiques ont été incapables de contrôler ces deux facteurs avec des méthodes efficaces. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Nifang Zhao et une équipe de scientifiques en génie chimique et biologique de l'Université du Zhejiang en Chine, a démontré une nucléation de glace successive et une croissance préférentielle en introduisant un gradient de mouillabilité sur un doigt froid (un appareil de laboratoire utilisé pour générer une surface froide localisée). Le travail a mis en évidence la capacité d'exploiter la riche conception des modèles de mouillabilité de surface pour concevoir des matériaux en vrac haute performance avec des architectures complexes bioinspirées.
Développement de matériaux bio-inspirés en laboratoire
Des matériaux bio-inspirés basés sur la nature, les os et les dents ont longtemps servi de source d'inspiration pour développer des matériaux structurels de haute performance. Les matériaux biologiques peuvent présenter des propriétés mécaniques exceptionnelles pour construire des architectures hiérarchiques sophistiquées aux niveaux nano/micro et macroscopique. Par exemple, les bio-ingénieurs avaient développé diverses méthodes dans le passé pour concevoir des composites mimétiques nacre (couche irisée de coquille de mollusque), qui comprennent la lyophilisation et l'impression en trois dimensions (3D). lyophilisation, également connue sous le nom de givrage est une technique puissante avec une précision, maîtrise architecturale, faible coût et polyvalence pour concevoir des composites nacre-mimétiques haute performance et assembler une variété de blocs de construction. Pendant le processus, les cristaux de glace peuvent germer sur une surface froide et croître dans une direction privilégiée le long du gradient de température, et l'équipe peut contrôler les facteurs contribuant au processus, modéliser l'architecture du matériau poreux résultant. Zhao et al. donc concentré sur l'ingénierie de surface en modulant ou en contrôlant la mouillabilité de la surface. Pour y parvenir, ils ont introduit un gradient de mouillabilité pour contrôler la nucléation et la croissance de la glace sur une surface froide. Le travail a montré comment la mouillabilité de surface a permis de concevoir des matériaux en vrac avec des architectures biomimétiques sophistiquées.
Observation du processus de congélation. (A) Images optiques en vue de dessus montrant la nucléation successive de cristaux de glace de la région hydrophile à hydrophobe et une croissance orientée perpendiculairement au gradient de mouillabilité. (B) Illustration schématique du processus de congélation montrant une nucléation successive et une croissance préférentielle. (C) Illustration schématique des thermocouples enregistrant la variation de température au-dessus des régions hydrophiles et hydrophobes de la surface du gradient. (D) Variation de température de trois zones au cours du temps. (E) Agrandi à partir de (D) montrant que la nucléation de la glace commence plus rapidement sur la région hydrophile. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb4712
Technique de lyophilisation de la preuve de concept
Comme preuve de concept, l'équipe a utilisé une suspension aqueuse de particules d'hydroxyapatite (HA) et a comparé les processus de lyophilisation sur des surfaces présentant divers degrés de mouillabilité pour observer les microstructures expérimentales résultantes. Au cours des procédés de lyophilisation traditionnels, le lisier était en contact direct avec un non modifié, substrat de cuivre homogènement hydrophile. Au refroidissement, l'équipe a généré un gradient de température vertical pour guider la croissance préférentielle des cristaux de glace du bas vers le haut. En raison de la nature hydrophile (qui aime l'eau) du substrat de cuivre, la nucléation de la glace s'est produite simultanément à travers la surface, que Zhao et al. observé en microscopie électronique à balayage (MEB). Ils ont ensuite répété le même processus de lyophilisation sur une surface de cuivre hydrophobe. Bien que le taux de nucléation de la glace ait été retardé sur les surfaces hydrophobes comme prévu, le processus s'est produit de manière aléatoire sur l'ensemble du matériau. Partant de la même idée, les scientifiques ont conçu des modèles plus complexes pour la lyophilisation, notamment des modifications de la surface du cuivre avec du silane (en abrégé POTS) via un revêtement par immersion programmé pour modifier l'angle de contact avec l'eau de surface et la mouillabilité.
Observer le processus de congélation et proposer un mécanisme de congélation
Zhao et al. observé le processus de congélation-coulée à l'aide d'un microscope optique. Au cours des expériences, ils ont scellé un moule en téflon sur un substrat de cuivre et ont versé une suspension contenant 20 % de particules de HA dans le moule pour observer la nucléation des cristaux de glace de la région hydrophile à la région hydrophobe. Ils ont attribué le phénomène aux taux de nucléation induits par la mouillabilité de la surface et ont étudié les effets du gradient de mouillabilité, y compris la vitesse de congélation et la concentration de particules sur la microstructure.
Observation du processus de congélation avec le gradient de mouillabilité. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb4712
Ils ont proposé un mécanisme possible pour contrôler les structures coulées par congélation en contrôlant la mouillabilité de la surface. Pour ça, l'équipe a étudié les hypothèses clés de la nucléation des cristaux de glace et de la croissance préférentielle et a combiné les deux mécanismes pour réaliser des architectures complexes dans des matériaux coulés par congélation. Les scientifiques ont visualisé le processus à l'aide d'un microscope à fluorescence après avoir mélangé la suspension HA avec une petite quantité de microsphères de polystyrène fluorescentes. Les particules alignées dans le milieu ont ensuite forcé les cristaux de glace successifs à croître dans des orientations similaires et à former une structure lamellaire à longue portée. Les travaux ont suggéré que la mouillabilité de la surface plutôt que le type de matériau déterminait l'orientation des cristaux de glace.
Observation du processus de congélation sur une surface homogène par rapport à une surface à gradient linéaire. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb4712
Développer un composite nacre-mimétique haute performance et tester ses propriétés mécaniques
Les scientifiques ont fritté et composé l'échafaudage HA contenant une structure lamellaire alignée à longue portée avec un matériau polymère, pour générer des composites nacre-mimétiques de haute performance. La structure bien orientée imitait l'architecture en briques et molaire de la nacre naturelle, comme confirmé par la tomodensitométrie. Zhao et al. maintenu la concentration de particules et la vitesse de croissance de la glace pendant tout le processus de lyophilisation pour obtenir des échantillons de grande taille avec une structure uniforme.
Pour détecter les propriétés mécaniques de la structure résultante, l'équipe a comparé les propriétés de flexion des composites HA/polymère développés par lyophilisation sur des surfaces dégradées et homogènes. Les propriétés mécaniques des composites nacre-mimétiques étaient supérieures à celles préparées sur des surfaces homogènes hydrophobes ou hydrophiles. Le travail a montré l'avantage de la structure lamellaire à longue portée et de la lyophilisation vérifiée sur une surface de gradient pour être une approche efficace pour former des composites nacre-mimétiques de haute performance.
Propriétés mécaniques du composite nacre-mimétique. (A) Courbes de flexion à trois points des composites HA/PMMA préparés avec les trois types de surfaces. (B et C) La résistance à la flexion, Module d'Young, et les travaux de rupture du composite nacre-mimétique sont meilleurs que ceux préparés avec des surfaces homogènes hydrophiles et hydrophobes. (D à F) Images SEM montrant que le composite nacre-mimétique partage le même mécanisme de durcissement avec la nacre naturelle. (D) Surface de fracture montrant la déchirure des couches de PMMA. (E) Dans le cadre de l'essai de flexion entaillée à un seul bord, la fissure s'amorce à partir de l'encoche et se propage selon un chemin tortueux. (F) Image SEM agrandie de (E) montrant la défaillance de l'interface, pontage des fissures, et les défauts de la céramique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb4712
Conception d'un modèle de mouillabilité de surface
L'équipe a également montré la capacité de concevoir un modèle de mouillabilité de surface par lyophilisation sur des surfaces de cuivre contenant un gradient de mouillabilité linéaire bicouche et un gradient de mouillabilité radial. Ils ont obtenu deux structures représentatives avec des motifs lamellaires croisés et circulaires, n'était pas possible auparavant avec les techniques conventionnelles de lyophilisation. Zhao et al. puis analysé les propriétés mécaniques des composites pour comprendre leurs performances et les résultats ont confirmé la possibilité d'exploiter la riche conception des modèles de mouillabilité de surface pour construire des matériaux en vrac haute performance avec une architecture bio-inspirée complexe.
De cette façon, Nifang Zhao et ses collègues ont montré comment la nucléation et la croissance de la glace pouvaient être contrôlées en introduisant un gradient de mouillabilité sur une surface froide pour contrôler l'orientation des cristaux de glace et l'architecture du matériau poreux résultant. En utilisant le concept, ils ont obtenu une structure lamellaire alignée à longue distance et ont infiltré l'échafaudage poreux pour générer un composite nacre-mimétique en vrac haute performance avec une résistance et une ténacité excellentes. Le travail met en évidence le potentiel de la mouillabilité de surface et sa riche capacité de conception pour construire des modèles d'architectures complexes bio-inspirées à haute performance.
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