冷冻铸造技术能够制造出具有高多孔性和分层结构的材料，这些材料表面积较大，适用于多种应用场景，如电池电极、催化剂材料或生物医学领域。

目前，由美国波士顿东北大学的Ulrike G. K. Wegst教授和柏林亥姆霍兹中心的Francisco García Moreno博士领导的研究团队，利用新开发的x射线断层扫描技术，在瑞士的保罗·谢尔研究所进行高分辨率的实时观察，研究了糖溶液作为模型系统在冷冻过程中结构的形成。

冷冻铸造的过程包括几个步骤：首先，将物质溶解或悬浮在溶剂中，然后在底部施加冷却速率（定向凝固）的模具中进行冷冻。冷冻后，通过升华去除固体溶剂相，留下的是先前溶解的溶质分子和悬浮颗粒，它们共同形成复杂且高度多孔的结构细胞壁。

冻铸材料在许多领域都有应用，例如，因其巨大的内部表面积可作为电池电极或催化剂，或因其特定的孔隙排列在生物医学中应用，如作为周围神经修复的支架。然而，关于冰在冷冻过程中如何形成复杂结构，以及期望的蜂窝状孔隙和各种表面特征的细胞壁是如何生成的，目前仍知之甚少。

Francisco García Moreno博士及其在柏林亥姆霍兹中心的团队开发了一种方法，以详细观察这些高度动态的过程。“通过x射线断层扫描，我们能够以高空间和时间分辨率成像原位结构的形成，甚至可以观察到瞬态现象和过渡结构，”这位物理学家解释道。

HZB团队与保罗·谢尔研究所瑞士光源的同事合作，利用超快转盘、强x射线、极快探测器和快速分析x射线数据的软件，在模型系统和演示中研究冷冻铸造，验证了该方法的高效性。

“在这项研究中，我们开发了一种配备传感器的新型测量单元，可以精确记录温度梯度，”该研究的主要作者保罗·卡姆博士（HZB）表示。生成的三维层析图具有6µm/s的空间分辨率，整个冷冻过程记录了270秒。

来自美国东北大学的Ulrike G. K. Wegst教授建议使用糖水溶液作为聚合物模型体系，因为该体系可以通过计算模拟，并且水溶液在冷冻铸造过程中仍占主导地位。Wegst表示：“我们现在能够首次通过实验观察到定向冰晶从液相生长的动力学。”

“在这个过程中，这些图像记录了晶体生长过程中的不稳定性是如何形成的，这些不稳定性又是如何影响糖相的，以及细胞壁上有机结构的特征是如何形成的，这些结构让人联想到水母和触手。”同样引人注目的是，其中一些结构可能会再次消失。

该研究成果已发表在《高级功能材料》杂志上。