作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 使用具有不同润湿性的铜表面的冷冻铸造技术和所得支架
扫描电子显微镜图像是从平行于冷表面1厘米高度的横截面上拍摄的
当在均匀亲水和疏水的铜基底上冷冻时，冰晶在表面上同时成核并在没有优选方向的情况下生长，产生包含各种随机取向区域的短程层状结构
(E和F)当在具有线性润湿梯度的铜表面上冷冻时，冰晶垂直于梯度排列，导致只有单个畴的长程层状结构
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb4712 冰模板是一种利用冰成核和生长来构建生物材料以获得冷冻材料结构的强有力的技术，但是科学家们一直无法用有效的方法来控制这两个因素
在《科学进展》的一份新报告中，赵妮芳和中国浙江大学的一组化学和生物工程科学家通过在冷手指(一种用于产生局部冷表面的实验室设备)上引入润湿性梯度，展示了连续的冰成核和优先生长
这项工作突出了利用丰富的表面润湿性模式的可设计性来设计具有复杂结构的高性能块体材料的能力
在实验室开发生物灵感材料 基于自然、骨骼和牙齿的生物灵感材料长期以来一直是开发高性能结构材料的灵感来源
生物材料可以实现出色的机械性能，从而在纳米/微观和宏观层面构建复杂的分级结构
例如，生物工程师在过去已经开发了各种方法来设计珍珠层(软体动物贝壳的彩虹层)-模拟复合物，包括冷冻铸造和三维印刷
冷冻铸造，也称为冰模板，是一种功能强大的技术，具有精确的建筑控制、低成本和多功能性，可以制造高性能的仿珍珠质复合材料和组装各种建筑砌块
在这个过程中，冰晶可以在冷的表面成核，并沿着温度梯度向优选的方向生长，研究小组可以控制对这个过程有贡献的因素，来模拟所得到的多孔材料的结构
赵等
因此专注于通过调节或控制表面润湿性的表面工程
为了实现这一点，他们引入了润湿梯度来控制冰在冷表面上的成核和生长
这项工作展示了表面润湿性是如何让工程散装材料仿生复杂的架构
观察冷冻过程
(一)俯视光学图像，显示冰晶从亲水区到疏水区的连续成核和垂直于润湿性梯度的定向生长
(二)显示连续成核和优先生长的冷冻过程示意图
(三)记录梯度表面亲水和疏水区域温度变化的热电偶示意图
三个区域的温度随时间的变化
(E)从(D)放大显示亲水区域的冰成核开始得更快
学分:科学进步，doi: 10
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abb4712 概念验证冷冻铸造技术 作为概念的证明，该团队使用羟基磷灰石(HA)颗粒的水性浆料，并比较了不同润湿程度的表面上的冷冻铸造工艺，以观察所得的实验微结构
在传统的冷冻铸造过程中，浆料与未改性的、均匀亲水的铜基材直接接触
冷却后，研究小组产生了一个垂直的温度梯度来引导冰晶从底部到顶部的优先生长
由于铜基底的亲水(亲水)性质，冰成核作用在整个表面同时发生，赵等人
用扫描电子显微镜观察
然后，他们在疏水性铜表面重复同样的冷冻铸造过程
尽管在疏水表面上冰的成核速率如预期的那样延迟，但是该过程在整个材料上随机发生
基于同样的想法，科学家们设计了更复杂的冷冻铸造图案，包括通过程序浸涂用硅烷(缩写为POTS)对铜表面进行改性，以改变表面水接触角和润湿性
观察冻结过程并提出冻结机制 赵等
用光学显微镜观察冷冻铸造过程
在实验过程中，他们将聚四氟乙烯模具密封在铜基底上，并将含20%透明质酸颗粒的浆料倒入模具中，观察冰晶从亲水区到疏水区的成核情况
他们将这一现象归因于表面润湿性引起的成核速率，并研究了润湿性梯度(包括冻结速度和颗粒浓度)对微观结构的影响
用润湿梯度观察冻结过程
学分:科学进步，doi: 10
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abb4712 他们提出了一种通过控制表面润湿性来控制冷冻铸造结构的可能机制
为此，该团队研究了冰晶成核和优先生长的关键假设，并结合这两种机制来实现冷冻铸造材料中的复杂结构
科学家们在将透明质酸浆料与少量荧光聚苯乙烯微球混合后，用荧光显微镜观察了这一过程
介质中排列的粒子迫使连续的冰晶以相似的方向生长，形成长程层状结构
这项工作表明，决定冰晶方向的是表面润湿性，而不是材料的类型
观察均匀表面上的冻结过程与
线性梯度表面
学分:科学进步，doi: 10
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abb4712 开发高性能仿珍珠质复合材料并测试其力学性能 科学家将含有长程排列层状结构的透明质酸支架与高分子材料烧结复合，生成高性能的仿珍珠质复合材料
这种定向良好的结构模仿了天然珍珠层的砖和臼齿的结构，这一点已被显微计算机断层扫描证实
赵等
在整个冷冻铸造过程中保持颗粒浓度和冰生长速度，以获得具有均匀结构的大尺寸样品
为了检测所得结构的机械性能，研究小组比较了通过在梯度和均匀表面上冷冻浇铸而形成的透明质酸/聚合物复合材料的弯曲性能
仿珍珠质复合材料的力学性能优于在均匀疏水或亲水表面上制备的复合材料
该工作显示了长程层状结构的优点，并验证了梯度表面冷冻铸造是形成高性能仿珍珠质复合材料的有效途径
仿珍珠质复合材料的力学性能
用三种表面制备的透明质酸/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的三点弯曲曲线
仿珍珠质复合材料的弯曲强度、杨氏模量和断裂功优于用均匀亲水和疏水表面制备的复合材料
扫描电镜图像显示，仿珍珠质复合材料与天然珍珠质具有相同的增韧机理
显示聚甲基丙烯酸甲酯层撕裂的断裂面
(5)在单边缺口弯曲试验中，裂纹从缺口处开始，沿弯曲路径扩展
(六)(五)的放大扫描电镜图像显示界面失效、裂纹桥接和陶瓷缺陷
学分:科学进步，doi: 10
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abb4712 设计表面润湿图案 该团队还展示了通过在包含双层线性润湿性梯度和径向润湿性梯度的铜表面上冷冻铸造来设计表面润湿性图案的能力
他们获得了两种具有交叉排列和圆形层状图案的代表性结构，这在以前用传统的冷冻铸造技术是不可能的
赵等
然后分析复合材料的机械性能以了解其性能，结果证实了利用表面润湿性图案的可设计性来构建具有复杂生物传感结构的高性能块体材料的可能性
通过这种方式，赵妮芳和他的同事展示了如何通过在冷表面上引入润湿性梯度来控制冰晶的方向和最终多孔材料的结构，从而控制冰的成核和生长
利用这一概念，他们获得了长程排列的层状结构，并渗透到多孔支架中，生成了具有优异强度和韧性的高性能块体珍珠质模拟复合材料
这项工作突出了表面润湿性的潜力及其丰富的可设计性，以构建具有高性能的生物智能复杂体系结构的模式
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