冷冻铸造是一种优雅、经济高效的制造技术，可生产具有定制设计的分层结构、明确的孔隙方向和多功能表面结构的高多孔材料。冻铸材料适用于从生物医学到环境工程和能源技术的许多应用。

《自然评论方法入门》中的一篇文章现在提供了冷冻铸造方法的指南，其中包括对当前和未来应用的概述，并重点介绍了以X射线断层扫描为重点的表征技术。

“当《自然》杂志为我们提供了编写[Primer]的机会并提供说明和过程概述时，我们感到很高兴，”材料科学家UlrikeWegst教授(美国马萨诸塞州波士顿东北大学和柏林工业大学)说道。

“我和断层扫描专家FranciscoGarcía-Moreno博士和PaulKamm博士(HZB和柏林工业大学)、KaiyangYin博士(现为弗莱堡大学洪堡研究员)一起刚刚进行了首次原位实验并发现因此，我们将冷冻铸造实验方法与工艺和材料分析技术结合起来。”

在介绍了各种批量和连续冷冻铸造工艺以及冻干(冷冻干燥)的简要概述之后，该入门手册概述了用于分析复杂的分层材料结构和材料特性的许多表征技术。

重点介绍的是X射线断层扫描的独特功能和优势，它允许在实时和3D凝固过程中分析所有类别材料(聚合物、陶瓷、金属及其复合材料)的晶体生长和结构形成动力学。

加西亚-莫雷诺说：“当我们希望量化各向异性晶体生长时，例如在水溶液和浆料中的晶体生长，其中晶体以不同的速度沿不同的晶体方向延伸，这尤其有吸引力。”

冷冻铸造工艺是40多年前开发的，用于生产组织支架。很快人们就发现，冷冻铸造材料由于其高度多孔的结构，可以与宿主组织很好地结合并支持愈合过程。

如今，冷冻铸造材料不仅广泛应用于生物医学领域，而且还广泛应用于工程领域，从创新催化剂到电池或燃料电池的高多孔电极。可以使用多种溶剂、溶质和颗粒来创建所需的结构、形状和功能。

冷冻铸造如何进行?

首先，将物质溶解或悬浮在溶剂(这里是水)中，然后放入模具中。然后将明确的冷却速率应用于铜模具底部以定向凝固样品。凝固后，发生相分离，形成纯溶剂(这里是冰)、溶质和颗粒，其中冰形成溶质/颗粒相的模板。

一旦样品完全凝固，固体溶剂就会在冻干过程中通过升华去除。冻干揭示了高度多孔的冰模板支架，这是一种细胞固体，其细胞壁由凝固过程中自组装的溶质/颗粒组成。

孔的尺寸和数量、它们的几何形状和方向、颗粒的包装和细胞壁的表面特性以及材料的机械、热、磁性和其他特性可以根据所需的应用进行定制。

为了获得有关冷冻铸造基础科学的更多信息，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，即大大减少的重力，最大限度地减少了沉积和对流对结构形成的影响。

专家们预计这将进一步促进人们对冷冻铸造工艺的理解以及定制设计的无缺陷材料的制造。

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