Preparation and Characterization of Macroporous Cryostructured Materials

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Is är något som de flesta människor i Sverige kommer i kontakt med dagligen,om det är för att kyla en dryck eller ta sig en glass, är det något som de flesta är bekanta med. Om en vattenlösning eller en vattensuspension kyls under fryspunkten för vatten ( 0 °C) så börjar iskristaller att bildas. Speciellt med denna process är att iskristallerna som bildas består endast av vattenmolekyler d.v.s. partiklar eller ämnen lösta i vattnet kommer inte att inneslutas i iskristallerna. Istället kommer dessa ämnen att samlas runt iskristallerna, eftersom dessa ämnen nu finns i en mer begränsad volym kommer dessa att finnas i en mer koncentrerad form. Koncentrationen av dessa ämnen kommer att bestämmas av temperaturen som används för att frysa vattnet. Lägre temperatur innebär mindre volym för ämnena att rymmas i och därför en högre koncentration av dessa. Slutligen uppnås ett tillstånd med huvudsakligen iskristaller och där de övriga ämnena hamnat i en liten fas kring isen. Denna process kallas ofta kryokoncentrering. Ett sådant prov ser helt fryst ut, men i själva verket finns en andel ofryst vatten närvarande. Denna andel bestäms av hur mycket ämnen som var lösta i vattnet innan frysprocessen inledes. När havsvatten fryser och bildar is sker detta så som beskrivet ovan, eftersom havsvatten innehåller salt som kommer att bilda en ofryst fas av koncentrerat saltvatten kring iskristallerna. På grund av att denna koncentrerade saltlösning har en hög densitet kommer den att sjunka neråt genom havsisen och slutligen kommer havsisen att bestå av rent vatten. Därför innehåller polarområdena på jorden en enorm mängd färskvatten, om än i form av is. Egenskapen av hur is bildas genom att stöta ut andra ämnen har använts för till exempel tillverkning av glass, som på samma sätt består av en viss del ofryst vatten blandat med andra ämnen samt en del is. I denna avhandling har fenomenet med hur is skapas utnyttjats för att tillverka ihåliga och absorberande ämnen, så kallade porösa material, samt att studera hur dessa bildas. Genom att frysa diverse utspädda lösningar av monomerer (byggstenar för det slutliga materialet) har dessa oncentrerats in i ett fryst tillstånd, varvid en reaktion sker som bildar ett polymert material - en så kallad kryogel. Denna kryogel kan i sin tur binda mycket vatten på grund av hur den är skapad och är ett så kallat hydrofilt (vattenälskande) material. Iskristallerna som skapades när man frös startlösningen har bildat porerna som finns i materialet och dessa har en diameter på ungefär 1-100 μm. På grund av dessa porer suger materialet snabbt och effektivt upp vätskor och påminner mycket om en vanlig tvättsvamp, fast med mindre porer. Genom att använda NMR (kärnmagnetisk resonans) var det möjligt att dels studera hur vattnet fryser samt hur bildandet av kryogelen sker. Detta gjorde att vi kan börja förstå hur t.ex. temperatur, koncentration av olika ämnen, samt själva frysningen påverkade processen. Slutsatser från detta användes för att försöka ändra egenskaperna av kryogelerna genom att studera hur olika tillsatser av salt eller lösningsmedel påverkade den slutliga materialet. För att vidga konceptet ytterligare försökte jag använda suspensioner av partiklar i vatten istället för vattenlösningar. Dessa suspensioner var små plastpartiklar i vatten eller suspensioner av bakterier och jästsvampar. Frysning av dessa suspensioner samtidigt som man försökte att binda samman partiklarna genom kemiska bindningar resulterade i ett material som bestod av tättpackade partiklar med stora porer mellan områden av partiklar. Det resulterande materialet var väldigt likt kryogeler som skapades av vattenlösningar, men i detta fall var kryogeler bestående av sammanbundna partiklar. Den potentiella användningen av dessa material kan sträcka sig från vattenrening till material för att odla celler eller vävnad för medicinska tilllämpningar.