Fundición por congelación

La congelación , también conocida como moldeo por congelación , es una técnica que aprovecha el comportamiento de solidificación altamente anisotrópico de un disolvente (a menudo, pero no exclusivamente, agua) en una solución o suspensión bien dispersa para moldear de forma controlada cerámicas porosas direccionales , ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} polímeros, ^{[ 5 ] [ 6 ]} metales ^{[ 7 ]} y sus híbridos. ^{[ 8 ]} Al someter una suspensión a un gradiente de temperatura direccional, los cristales de hielo se nuclean en un lado y crecen a lo largo del gradiente de temperatura. Los cristales de hielo redistribuyen la sustancia disuelta y las partículas en suspensión a medida que crecen dentro de la suspensión, moldeando eficazmente los ingredientes distribuidos en ella. ^{[ 9 ]}

Una vez finalizada la solidificación, el compuesto congelado, con su forma predefinida, se coloca en un liofilizador para eliminar el hielo. El cuerpo verde resultante contiene macroporos anisotrópicos que replican los cristales de hielo sublimados y estructuras que van desde microporos hasta empaquetamientos tipo nácar ^{[ 10 ]} entre las partículas cerámicas o metálicas de las paredes. Las paredes, con su forma predefinida por la morfología de los cristales de hielo, suelen presentar características unilaterales ^{[ 11 ]} . Estas, en conjunto, forman una estructura celular jerárquica ^{[ 12 ]} . Esta estructura se suele sinterizar para metales y cerámicas, y reticular para polímeros, con el fin de consolidar las paredes particuladas y proporcionar resistencia al material poroso. La porosidad resultante de la sublimación del fluido solidificado suele estar entre 2 y 200 μm ^{[ 13 ] .}

La primera observación de estructuras celulares resultantes de la congelación del agua se remonta a más de un siglo, ^{[ 14 ]} pero el primer caso documentado de fundición por congelación, en el sentido moderno, fue en 1954 cuando Maxwell et al. ^{[ 15 ]} intentaron fabricar álabes de turbocompresor a partir de polvos refractarios . Congelaron láminas extremadamente gruesas de carburo de titanio , produciendo piezas fundidas con forma casi final que eran fáciles de sinterizar y mecanizar. Sin embargo, el objetivo de este trabajo era fabricar cerámicas densas. No fue hasta 2001, cuando Fukasawa et al. ^{[ 16 ]} crearon piezas fundidas de alúmina con porosidad direccional, que la idea de utilizar la fundición por congelación como medio para crear nuevas estructuras porosas realmente se afianzó. Desde entonces, la investigación ha crecido considerablemente, con cientos de artículos publicados en la última década. ^{[ 17 ]}

Los principios de la fundición por congelación son aplicables a una amplia gama de combinaciones de partículas y medios de suspensión. El agua es, con mucho, el medio de suspensión más utilizado y, mediante la liofilización, facilita la etapa de sublimación necesaria para el éxito de los procesos de fundición por congelación. Debido al alto nivel de control y a la amplia gama de posibles microestructuras porosas que puede producir la fundición por congelación, la técnica se ha adoptado en campos dispares como andamios tisulares , ^{[ 18 ] [ 19 ]} fotónica , ^{[ 20 ]} compuestos de matriz metálica , ^{[ 21 ]} odontología , ^{[ 22 ]} ciencia de los materiales , ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} e incluso ciencia de los alimentos . ^{[ 26 ]}

Existen tres posibles resultados finales para la congelación unidireccional de una suspensión de partículas. Primero, el crecimiento del hielo procede como un frente plano, empujando las partículas hacia adelante como una excavadora empuja una pila de rocas. Este escenario suele ocurrir a velocidades de solidificación muy bajas (< 1  μm s ⁻¹ ) o con partículas extremadamente finas, ya que pueden moverse por movimiento browniano alejándose del frente. La estructura resultante no contiene macroporosidad. Si se aumenta moderadamente la velocidad de solidificación, el tamaño de las partículas o la carga sólida, las partículas comienzan a interactuar de manera significativa con el frente de hielo que se aproxima. El resultado es típicamente una estructura lamelar o celular con plantilla, cuya morfología exacta depende de las condiciones particulares del sistema. Este es el tipo de solidificación que se busca para los materiales porosos fabricados mediante fundición por congelación. La tercera posibilidad para una estructura de fundición por congelación ocurre cuando las partículas no tienen tiempo suficiente para separarse de la suspensión , lo que resulta en la encapsulación completa de las partículas dentro del frente de hielo. Esto ocurre cuando las velocidades de congelación son rápidas, el tamaño de las partículas se vuelve suficientemente grande o cuando la carga de sólidos es lo suficientemente alta como para impedir el movimiento de las partículas. ^{[ 4 ]} Para asegurar la formación de plantillas, las partículas deben ser expulsadas del frente que se aproxima. Energéticamente hablando, esto ocurrirá si hay un aumento general en la energía libre si la partícula fuera engullida (Δσ > 0) .

${\displaystyle \Delta \sigma =\sigma _{ps}-(\sigma _{pl}+\sigma _{sl})}$

donde Δσ es el cambio en la energía libre de la partícula, σ _ps es el potencial superficial entre la partícula y la interfaz, σ _pl es el potencial entre la partícula y la fase líquida y σ _sl es el potencial superficial entre las fases sólida y líquida. Esta expresión es válida a bajas velocidades de solidificación, cuando el sistema se desvía solo ligeramente del equilibrio. A altas velocidades de solidificación, también se debe tener en cuenta la cinética . Habrá una película líquida entre el frente y la partícula para mantener un transporte constante de las moléculas que se incorporan al cristal en crecimiento. Cuando la velocidad del frente aumenta, el espesor de esta película (d) disminuirá debido al aumento de las fuerzas de arrastre. Se produce una velocidad crítica (v _c ) cuando la película ya no es lo suficientemente gruesa como para suministrar el aporte molecular necesario. A esta velocidad, la partícula será engullida. La mayoría de los autores expresan v _c como una función del tamaño de la partícula donde${\displaystyle v_{c}\propto {\tfrac {1}{R}}}$. La transición de una morfología R porosa (lamelar) a una en la que la mayoría de las partículas están atrapadas ocurre en v _c , que generalmente se determina como: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle v_{c}={\frac {\Delta \sigma d}{3\eta R}}\left({\frac {a_{0}}{d}}\right)^{z}}$

donde a ₀ es la distancia intermolecular promedio de la molécula que se congela dentro del líquido, d es el espesor total de la película líquida, η es la viscosidad de la solución , R es el radio de la partícula y z es un exponente que puede variar de 1 a 5. ^{[ 28 ]} Como era de esperar, v _c disminuye a medida que aumenta el radio de la partícula R.

Waschkies et al. ^{[ 29 ]} estudiaron la estructura de coladas congeladas diluidas a concentradas desde velocidades de solidificación bajas (< 1 μm s ⁻¹ ) hasta extremadamente altas (> 700 μm s ⁻¹ ). A partir de este estudio, pudieron generar mapas morfológicos para estructuras de coladas congeladas hechas bajo diversas condiciones. Mapas como estos son excelentes para mostrar tendencias generales, pero son bastante específicos del sistema de materiales del que se derivaron. Para la mayoría de las aplicaciones donde se usarán coladas congeladas después de la congelación, se necesitan aglutinantes para proporcionar resistencia en el estado verde. La adición de aglutinante puede alterar significativamente la química dentro del entorno congelado, deprimiendo el punto de congelación y dificultando el movimiento de partículas, lo que lleva al atrapamiento de partículas a velocidades muy por debajo de la v _c predicha . ^{[ 29 ]} Sin embargo, suponiendo que operamos a velocidades inferiores a v _c y superiores a aquellas que producen un frente plano, lograremos una estructura celular con cristales de hielo y paredes compuestas de partículas cerámicas compactadas. La morfología de esta estructura está ligada a algunas variables, pero la más influyente es el gradiente de temperatura en función del tiempo y la distancia a lo largo de la dirección de congelación.

Las estructuras de fundición por congelación tienen al menos tres regiones morfológicas aparentes. ^{[ 30 ]} En el lado donde se inicia la congelación hay una región casi isotrópica sin macroporos visibles denominada Zona Inicial (ZI). Inmediatamente después de la ZI está la Zona de Transición (ZT), donde los macroporos comienzan a formarse y alinearse entre sí. Los poros en esta región pueden aparecer orientados aleatoriamente. La tercera zona se llama Zona de Estado Estacionario (ZEE), los macroporos en esta región están alineados entre sí y crecen de manera regular. Dentro de la ZEE, la estructura está definida por un valor λ que es el espesor promedio de una pared cerámica y su macroporo adyacente.

Zona de transición: una microestructura cambiante

A medida que la solidificación se ralentiza y la cinética de crecimiento se convierte en el factor limitante, los cristales de hielo comienzan a excluir las partículas, redistribuyéndolas dentro de la suspensión. Se desarrolla un proceso de crecimiento competitivo entre dos poblaciones de cristales: aquellos con sus planos basales alineados con el gradiente térmico (cristales z) y aquellos orientados aleatoriamente (cristales r), dando lugar al inicio de la zona de transición (TZ). ^{[ 30 ] [ 32 ] [ 33 ]}

Hay colonias de cristales de hielo alineados de manera similar que crecen por toda la suspensión. Hay finas láminas de cristales z alineados que crecen con sus planos basales alineados con el gradiente térmico. Los cristales r aparecen en esta sección transversal como plaquetas, pero en realidad, son más similares a cristales dendríticos columnares cortados en diagonal. Dentro de la zona de transición, los cristales r dejan de crecer o se convierten en cristales z que eventualmente se convierten en la orientación predominante, y conducen al crecimiento en estado estacionario. Hay algunas razones por las que ocurre esto. Por un lado, durante la congelación, los cristales en crecimiento tienden a alinearse con el gradiente de temperatura, ya que esta es la configuración de energía más baja y termodinámicamente preferencial. Sin embargo, el crecimiento alineado puede significar dos cosas diferentes. Suponiendo que el gradiente de temperatura sea vertical, el cristal en crecimiento será paralelo (cristal z) o perpendicular (cristal r) a este gradiente. Un cristal que se encuentra horizontalmente aún puede crecer en línea con el gradiente de temperatura, pero esto implicará crecer sobre su cara en lugar de sobre su borde. Dado que la conductividad térmica del hielo es tan baja (1,6 - 2,4 W mK ⁻¹ ) en comparación con casi cualquier otra cerámica (p. ej., Al ₂ O ₃ = 40 W mK ⁻¹ ), el hielo en crecimiento tendrá un efecto aislante significativo sobre las condiciones térmicas localizadas dentro de la suspensión. Esto se puede ilustrar utilizando elementos resistivos simples. ^{[ 30 ] [ 34 ]}

Cuando los cristales de hielo se alinean con sus planos basales paralelos al gradiente de temperatura (cristales z), pueden representarse como dos resistencias en paralelo. Sin embargo, la resistencia térmica de la cerámica es significativamente menor que la del hielo, por lo que la resistencia aparente puede expresarse como la resistencia menor de la _cerámica . Si los cristales de hielo se alinean perpendicularmente al gradiente de temperatura (cristales r), pueden aproximarse como dos elementos resistivos en serie. En este caso, la resistencia del _hielo es limitante y determinará las condiciones térmicas localizadas. La menor resistencia térmica en el caso de los cristales z conduce a temperaturas más bajas y un mayor flujo de calor en las puntas de los cristales en crecimiento, impulsando un mayor crecimiento en esta dirección, mientras que, al mismo tiempo, el elevado valor _{de la resistencia del hielo} dificulta el crecimiento de los cristales r. Cada cristal de hielo que crece dentro de la suspensión será una combinación de estos dos escenarios. La termodinámica dicta que todos los cristales tenderán a alinearse con el gradiente de temperatura preferencial, lo que provoca que los cristales r finalmente den paso a los cristales z, lo cual se puede observar en las siguientes radiografías tomadas dentro de la TZ. ^{[ 35 ]}

Cuando los cristales z se convierten en la única orientación cristalina significativa presente, el frente de hielo crece de manera estacionaria, excepto que no hay cambios significativos en las condiciones del sistema. En 2012 se observó que, en los momentos iniciales de la congelación, hay cristales r dendríticos que crecen de 5 a 15 veces más rápido que el frente de solidificación. Estos se disparan hacia la suspensión por delante del frente de hielo principal y se funden parcialmente. ^{[ 36 ]} Estos cristales dejan de crecer en el punto donde la TZ finalmente hará la transición completa a la SSZ. Los investigadores determinaron que este punto particular marca la posición donde la suspensión está en un estado de equilibrio (es decir, la temperatura de congelación y la temperatura de la suspensión son iguales). ^{[ 36 ]} Podemos decir entonces que el tamaño de las zonas inicial y de transición está controlado por el grado de subenfriamiento más allá de la ya baja temperatura de congelación. Si la configuración de la fundición por congelación se controla de manera que la nucleación se vea favorecida solo con un pequeño subenfriamiento, entonces la TZ dará paso a la SSZ más pronto. ^{[ 36 ]}

Zona de crecimiento en estado estacionario

La estructura en esta región final contiene lamelas largas y alineadas que alternan entre cristales de hielo y paredes cerámicas. ^{[ 4 ] [ 30 ] [ 34 ]} Cuanto más rápido se congela una muestra, más finos serán sus cristales de solvente (y su macroporosidad eventual). Dentro de la SSZ, las velocidades normales que se pueden usar para la plantilla coloidal son 10 – 100  mm s ^{−1 [ 32 ]} lo que da como resultado cristales de solvente típicamente entre 2  mm y 200  mm. La sublimación posterior del hielo dentro de la SSZ produce una preforma cerámica verde con porosidad en una réplica casi exacta de estos cristales de hielo. ^{[ 2 ]} La microestructura de un molde por congelación dentro de la SSZ está definida por su longitud de onda (λ) que es el espesor promedio de una sola pared cerámica más su macroporo adyacente. ^{[ 3 ]} Varias publicaciones han informado los efectos de la cinética de solidificación en las microestructuras de los materiales de molde por congelación. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 37 ]} Se ha demostrado que λ sigue una relación de ley de potencia empírica con la velocidad de solidificación (υ) (Ec. 2.14): ^{[ 37 ]}

${\displaystyle \lambda =A\nu ^{-n}}$

Tanto A como υ se utilizan como parámetros de ajuste, ya que actualmente no hay forma de calcularlos a partir de principios fundamentales, aunque generalmente se cree que A está relacionado con parámetros de la suspensión como la viscosidad y la carga de sólidos ^{[ 3 ] [ 29 ]} mientras que n está influenciado por las características de las partículas. ^{[ 38 ]}

Existen dos categorías generales de herramientas para la arquitectura de un modelo congelado:

1. Química del sistema: medio de congelación y material(es) particulado(s) elegido(s), cualquier aglutinante, dispersante o aditivo adicional.
2. Condiciones de funcionamiento: perfil de temperatura, atmósfera, material del molde, superficie de congelación, etc.

Inicialmente, el sistema de materiales se elige en función del tipo de estructura final que se necesita. Esta revisión se ha centrado en el agua como vehículo para la congelación, pero existen otros disolventes que pueden utilizarse. En particular, el canfeno , un disolvente orgánico ceroso a temperatura ambiente. La congelación de esta solución produce cristales dendríticos altamente ramificados. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Sin embargo, una vez que se ha elegido el sistema de materiales, la mayor parte del control microestructural proviene de las condiciones operativas externas, como el material del molde y el gradiente de temperatura.

Controlar la forma de los poros

Los aditivos pueden resultar muy útiles y versátiles para cambiar la morfología de los poros. Estos actúan afectando la cinética de crecimiento y la microestructura del hielo, además de la topología de la interfaz hielo-agua. ^{[ 47 ]} Algunos aditivos funcionan alterando el diagrama de fases del disolvente. Por ejemplo, el agua y el NaCl tienen un diagrama de fases eutéctico . Cuando se añade NaCl a una suspensión de fundición por congelación, la fase de hielo sólido y las regiones líquidas se separan por una zona donde pueden coexistir sólidos y líquidos. Esta región salina se elimina durante la sublimación, pero su existencia tiene un fuerte efecto en la microestructura de la cerámica porosa. ^{[ 47 ]} Otros aditivos funcionan alterando las energías superficiales interfaciales entre sólido/líquido y partícula/líquido, cambiando la viscosidad de la suspensión o el grado de subenfriamiento en el sistema. Se han realizado estudios con glicerol , ^{[ 48 ]} sacarosa , ^{[ 47 ]} etanol , ^{[ 47 ]} ácido acético ^{[ 48 ]} y más.

Perfiles de congelación estáticos frente a dinámicos

Si se utiliza un sistema de congelación con temperatura constante a ambos lados del sistema de congelación (congelación estática), la velocidad de solidificación del frente en la SSZ disminuirá con el tiempo debido al aumento del amortiguador térmico causado por el frente de hielo en crecimiento. ^{[ 30 ] [ 34 ]} Cuando esto ocurre, se da más tiempo para que los cristales de hielo anisotrópicos crezcan perpendicularmente a la dirección de congelación (eje c), lo que da como resultado una estructura con láminas de hielo que aumentan de espesor a lo largo de la muestra.

Para asegurar un comportamiento de solidificación altamente anisotrópico, pero predecible dentro de la SSZ, se prefieren patrones de congelación dinámica. ^{[ 31 ] [ 34 ]} Usando la congelación dinámica, la velocidad del frente de solidificación y, por lo tanto, el tamaño del cristal de hielo, se puede controlar con un gradiente de temperatura cambiante. El gradiente térmico creciente contrarresta el efecto del amortiguador térmico creciente impuesto por el frente de hielo creciente. ^{[ 30 ] [ 34 ]} Se ha demostrado que una temperatura que disminuye linealmente en un lado de un molde congelado dará como resultado una velocidad de solidificación casi constante, produciendo cristales de hielo con un espesor casi constante a lo largo de la SSZ de toda la muestra. ^{[ 34 ]} Sin embargo, como señalaron Waschkies et al., incluso con una velocidad de solidificación constante, el espesor de los cristales de hielo aumenta ligeramente durante el proceso de congelación. ^{[ 41 ]} En contraste con eso, Flauder et al. Se demostró que un cambio exponencial de la temperatura en la placa de enfriamiento conduce a un espesor constante del cristal de hielo dentro de toda la SSZ, ^{[ 44 ]} lo cual se atribuyó a una velocidad del frente de hielo mediblemente constante en un estudio distinto. ^{[ 45 ]} Este enfoque permite predecir la velocidad del frente de hielo a partir de los parámetros térmicos de la suspensión. En consecuencia, si se conoce la relación exacta entre el diámetro del poro y la velocidad del frente de hielo, se puede lograr un control preciso sobre el diámetro del poro.

La mayoría de las investigaciones sobre las propiedades mecánicas de las estructuras obtenidas por congelación se centran en la resistencia a la compresión del material y su comportamiento de fluencia ante el aumento de las tensiones. Según Ashby, las propiedades mecánicas de una estructura de poros abiertos obtenida por congelación pueden modelarse aproximadamente con un sólido celular anisotrópico. ^{[ 53 ]} Esto incluye materiales naturales como el corcho y la madera, que poseen estructuras anisotrópicas y, por lo tanto, propiedades mecánicas que dependen de la dirección. Donius et al. investigaron la naturaleza anisotrópica de los aerogeles obtenidos por congelación , comparando su resistencia mecánica con la de aerogeles obtenidos isotrópicamente por congelación. Descubrieron que el módulo de Young de la estructura anisotrópica era significativamente mayor que el de los aerogeles isotrópicos, especialmente cuando se probaba en paralelo a la dirección de congelación. El módulo de Young es varios órdenes de magnitud mayor en la dirección paralela en comparación con la dirección perpendicular a la congelación, lo que demuestra las propiedades mecánicas anisotrópicas. ^{[ 54 ]}

El comportamiento mecánico de la estructura obtenida por congelación se puede clasificar en distintas regiones. A bajas deformaciones, las láminas siguen un comportamiento elástico lineal. Aquí, las láminas se doblan bajo una tensión de compresión y, por lo tanto, se deflectan. Según Ashby, ^{[ 53 ]} esta deflexión se puede calcular a partir de la teoría de viga simple, en la que cada una de las secciones celulares se idealiza como de forma cúbica donde cada una de las paredes de la celda se supone que son elementos tipo viga con una base cuadrada. Basándose en esta idealización, la cantidad de flexión${\displaystyle \delta }$en las paredes celulares bajo una fuerza de compresión${\displaystyle F}$es dado por${\displaystyle \delta ={\frac {C_{1}Fl^{3}}{12E_{s}I}}}$dónde${\displaystyle l}$es la longitud de cada célula,${\displaystyle I}$es el segundo momento de área,${\displaystyle E_{s}}$es el módulo de Young del material de la pared celular y${\displaystyle C_{1}}$es una constante que depende de la geometría. Además, encontramos que el módulo de Young de toda la estructura${\displaystyle E}$es proporcional al cuadrado de la densidad relativa:${\displaystyle {\frac {E}{E_{s}}}=C_{2}({\frac {\rho }{\rho _{s}}})^{2}}$Esto demuestra que la densidad del material es un factor importante al diseñar estructuras que puedan soportar cargas, y que el módulo de Young de la estructura está fuertemente determinado por su porosidad. ^{[ 53 ] [ 55 ]} Más allá de la región lineal, las láminas comienzan a pandearse elásticamente y a deformarse de forma no lineal. En una curva de tensión-deformación, esto se muestra como una meseta plana. La carga crítica a la que comienza el pandeo viene dada por:${\displaystyle F_{cr}={\frac {n^{2}\pi ^{2}E_{s}I}{l^{2}}}}$dónde${\displaystyle n^{2}}$es una constante que depende de las restricciones de contorno de la estructura. Este es uno de los principales mecanismos de falla para los materiales fundidos por congelación. ^{[ 55 ] [ 56 ]} A partir de esto, la tensión de compresión máxima que puede mantener un sólido poroso anisotrópico viene dada por${\displaystyle \sigma ^{*}=\sigma _{s}{\frac {\rho }{\rho _{s}}}}$dónde${\displaystyle \sigma _{s}}$es la tensión de fractura para el material a granel. ^{[ 57 ]} Estos modelos demuestran que la selección del material a granel puede afectar drásticamente la respuesta mecánica de las estructuras fundidas por congelación bajo tensión. Otras características microestructurales, como el espesor lamelar, la morfología de los poros y el grado de macroporosidad, también pueden influir considerablemente en la resistencia a la compresión y el módulo de Young de estas estructuras altamente anisotrópicas. ^{[ 56 ]}

La congelación por moldeo puede aplicarse para producir una estructura porosa alineada a partir de diversos bloques de construcción, incluidos cerámicas , polímeros , biomacromoléculas, ^{[ 59 ]} grafeno y nanotubos de carbono . Siempre que haya partículas que puedan ser rechazadas por un frente de congelación progresivo, es posible una estructura con plantilla. Al controlar los gradientes de enfriamiento y la distribución de partículas durante la congelación por moldeo, utilizando varios medios físicos, la orientación de las lamelas en las estructuras congeladas obtenidas puede controlarse para proporcionar un rendimiento mejorado en diversos materiales aplicados. ^{[ 60 ]} Munch et al. ^{[ 47 ]} demostraron que es posible controlar la disposición de largo alcance y la orientación de los cristales normales a la dirección de crecimiento mediante la plantilla de la superficie de nucleación. Esta técnica funciona proporcionando sitios de nucleación de menor energía para controlar el crecimiento y la disposición inicial del cristal. La orientación de los cristales de hielo también puede verse afectada por la aplicación de campos electromagnéticos, como demostraron en 2010 Tang et al. ^{[ 61 ]} en 2012 por Porter et al., ^{[ 62 ]} y en 2021 por Yin et al. ^{[ 63 ]} Utilizando configuraciones especializadas, los investigadores han podido crear moldes congelados alineados radialmente ^{[ 64 ]} adaptados para aplicaciones biomédicas ^{[ 65 ]} y aplicaciones de filtración o separación de gases. ^{[ 66 ]} Inspirados por la naturaleza, los científicos también han podido utilizar productos químicos de coordinación y criopreservados para crear arquitecturas microestructurales notablemente distintivas. ^{[ 48 ]}

Las partículas que se ensamblan en materiales porosos alineados en procesos de fundición por congelación se denominan a menudo bloques de construcción. A medida que la fundición por congelación se ha convertido en una técnica generalizada, la gama de materiales utilizados se ha ampliado. En los últimos años, el grafeno ^{[ 67 ]} y los nanotubos de carbono ^{[ 68 ]} se han utilizado para fabricar estructuras porosas controladas mediante métodos de fundición por congelación, y estos materiales suelen presentar propiedades excepcionales. A diferencia de los aerogeles producidos sin moldeo por congelación, las estructuras de nanomateriales de carbono obtenidas por fundición por congelación tienen la ventaja de poseer poros alineados, lo que permite, por ejemplo, combinaciones sin precedentes de baja densidad y alta conductividad.

La fundición por congelación es única por su capacidad de producir estructuras de poros alineados. Dichas estructuras se encuentran frecuentemente en la naturaleza, y en consecuencia, la fundición por congelación se ha convertido en una valiosa herramienta para fabricar estructuras biomiméticas. El transporte de fluidos a través de poros alineados ha propiciado el uso de la fundición por congelación como método para aplicaciones biomédicas, incluyendo materiales para andamios óseos. ^{[ 69 ]} La alineación de los poros en las estructuras fundidas por congelación también confiere una resistencia térmica extraordinariamente alta en la dirección perpendicular a los poros alineados. La fundición por congelación de fibras porosas alineadas mediante procesos de hilado presenta un método prometedor para la fabricación de prendas aislantes de alto rendimiento. Además, los materiales con poros alineados producidos mediante fundición por congelación a partir de polvo de níquel sinterizado han captado una atención significativa en sistemas de cambio de fase, como los tubos de calor de bucle (LHP), debido a sus excelentes propiedades térmicas. En estos sistemas, las mechas desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento del equilibrio líquido-vapor, permitiendo una circulación eficiente del fluido de trabajo. Las mechas tradicionales suelen fabricarse por separado y luego integrarse, creando una interfaz que limita la eficiencia de la transferencia de líquido. Para abordar esta limitación, se desarrolló una mecha porosa con una estructura de gradiente en una sola operación mediante fundición por congelación. Este enfoque innovador elimina la resistencia interfacial, asegurando un transporte de líquido sin interrupciones a la vez que mantiene la alta conductividad térmica y la eficiente acción capilar necesarias para un rendimiento óptimo del LHP. ^{[ 43 ]}

Otra aplicación emergente y prometedora de la fundición por congelación es la producción de espumas porosas para la generación de hidrógeno verde mediante procesos termoquímicos avanzados como la combustión en bucle químico (CLC) y el proceso de hierro al vapor (SIP). Estos procesos aprovechan las propiedades únicas de las estructuras metálicas porosas, como la cinética de reacción optimizada, la mayor eficiencia térmica y la sostenibilidad. En la combustión en bucle químico (CLC) , las espumas fabricadas con materiales como los óxidos de hierro actúan como portadores de oxígeno, lo que permite la combustión del combustible sin contacto directo con el aire, separando el CO₂ _para su captura y produciendo hidrógeno de alta pureza. De manera similar, en el proceso de hierro al vapor (SIP), las estructuras de poros dendríticos aseguran una distribución eficiente del vapor de agua y maximizan el rendimiento de hidrógeno. El control preciso sobre la porosidad y las propiedades térmicas que ofrece la fundición por congelación, junto con el uso de disolventes ecológicos como el canfeno , posiciona a estas espumas como una innovación vital para la producción de hidrógeno escalable y sostenible, contribuyendo a la lucha contra el cambio climático. ^{[ 70 ]}

• Gelificación por congelación

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