簡介
通俗地講，整個製備過程是將膠體粒子（可以是陶瓷顆粒、金屬顆粒或者高分子溶膠）放置於溫度場中降溫，隨著溫度的降低，溶劑（通常為水）逐漸沿著溫度梯度凝固，凝固產生的冰晶柱將膠體粒子擠壓、排開、包埋至冰晶柱之間。這個過程可以看作是冰晶作為膠體粒子的一個取向模板，起到一個物理限域的作用。然後將冷凍好的樣品放置在冷凍乾燥機中乾燥，隨著在常溫中逐漸降低壓強，冰晶開始由固相越過液相向氣相轉變，這個過程相當於一個模板去除的過程。由冰晶排列好的膠體粒子得到了保留，最後得到了具有取向結構的材料。
相比於其他輕質高強材料的構築技術和方法，取向冷凍技術是一種相對古老的技術手段。但是取向冷凍技術的構築方法簡單，適用性廣；同時這種方法在水相體系中有得天獨厚的優勢，所以更容易對材料進行功能化以及更容易製備生物相容性材料。
取向冷凍技術的研究進展
利用冰模板法製造新型複雜結構多孔材料在最近十年被研宄人員廣泛地關注並研宄，越來越多的工作被報導出來，但是人類最早發現冰晶生長可以使膠體粒子產生孔道結構卻是一個世紀以前的事情。
以耐火粉料為基體，期望以冷凍鑄造的方式來製造渦輪增壓器葉片，這是第一次以現代科學觀點報導冷凍鑄造技術，但是這篇工作的目的是製備密實的陶瓷體，並非現在研究者們討論的多孔結構。真正意義上提出取向冷凍技術概念並套用在製備多孔材料的工作是由日本研究人員發表的，這項工作打開了一個關於多空陶瓷製備的大門。由於這項技術是利用簡單的物理過程進行自組裝，可控性高，製備過程簡單；冷凍過程利用的溶劑一般為水，所以適用的材料體系十分廣闊，包括了無機顆粒、無機顆粒/高分子、高分子/高分子、無機納米線、無機納米線/高分子等。由於在製備複雜結構孔道材料方面有得天獨厚的優點，取向冷凍技術被廣泛套用於包括生物組織工程、材料科學、光子學、力學等在內的多種科學和工程領域，研究的內容也更加深入詳細。
取向冷凍技術的控制參量
取向冷凍技術，本質上講是冰晶模板自組裝技術，冷凍乾燥後的孔道結構是複製了冰晶的結構所得，所以利用取向冷凍技術製備的結構材料的形貌與冰晶的形貌有根本的聯繫。換而言之，控制與調控取向冷凍技術所製備的材料結構形貌就相當於控制與調控冷凍過程中冰晶的生長與結構。
最直接的，冷凍過程中可以調控的參量有，冷凍起始溫度與冷凍速率。對於一個取向冷凍過程，大致可以分為二個區域：初始區域、過渡區域和冰晶穩態生長區域。冷凍起始溫度決定了將材料漿液倒入放置在冷台上的模具中的過冷程度，進而直接影響取向冷凍過程的初始區域。科學家利用原位X射線斷層掃描觀察了取向冷凍的初始過程，發現懸浮液在接觸冷台面的瞬間，即溶劑成核過程的瞬間，整個懸浮液處在一個極不穩定的過冷態，這使得接觸面的溶劑在均勻成核後伴隨著爆炸式的不均勻的冰晶生長。這個過程非常快，以至於懸浮液中的膠體粒子完全被冰晶吞噬，來不及被重新排列。冷凍起始溫度越低，過冷程度越高，這個初始區域就會越大，影響整個材料的均勻性。
同時，冷凍溫度的高低還會影響冰晶穩定生長區域孔道的大小。在冷凍過程中有兩個很重要的速度影響著冰晶的形貌：冰晶成核速度和冰晶生長速度。過冷對於冰晶的成核是必須的，同時過冷程度的大小直接影響著冰晶成核速度和冰晶生長速度：在高過冷區域，冰晶成核速度高於冰晶生長速度，即冰晶的成核優於冰晶的生長，在這個溫度下，產生大量的小冰晶，導致最後得到的材料產生更多而更精細的孔道微結構；相對的，在低過冷區域，冰晶成核速度低於冰晶生長速度，即會產生比較少的冰晶，但這些冰晶會逐漸長大，導致最後得到的材料產生較為大的孔道。
所以綜合的說，冷凍溫度越低，得到的材料孔道大小越小；冷凍溫度越高，得到的材料孔道大小越大。但是，冷凍溫度還會影響冰晶的形貌。需要知道的是：冷凍溫度過低，會導致漿液中的膠粒無法及時排列，這樣會使膠粒包埋在冰晶中，冷凍乾燥以後所得到的材料的孔隙率會變低，影響材料性能。
對於取向冷凍技術來說，使用恆定的冷凍溫度是不合適的，因為在恆定的冷凍溫度下，隨著距離的增加，冰晶前端由於所受的熱緩衝增加，冷凍速度會逐漸降低。這種情況一旦發生，冰晶會有足夠的時間去沿垂直於溫度梯度方向增長。這樣所製備的材料的壁厚會逐漸沿著冷凍方向變薄、孔道變大，材料的不均勻性增加。所以，必須要利用動態冷凍過程，即使用合適的降溫速率（冷凍速率）對漿液進行冷凍。研宄人員現在使用最多的取向冷凍設備一般分為兩種：一種是通過調控加熱和降溫功率來調控降溫速率；另一種是通過調控樣品浸入液氮的速度來調控冰晶前端冷凍速度。不論哪種設備，其目的都是得到較為均勻大小的取向結構。
除了上述的冷凍溫度和冷凍速率對利用取向冷凍技術所得材料形貌有影響之外，溶劑類型、pH大小、顆粒大小、粘度、添加劑種類等等冷凍過程中的所有外加因素都會影響冰晶的生長和形貌，進而影響最後製備所得材料的微觀形貌。
取向冷凍技術在高分子體系中的套用
人們對於高分子體系的冷凍乾燥研究相對於陶瓷材料來說更早，但是由於高分子在溶劑中的溶解性和分散性相比於陶瓷等固體顆粒來說更差，所以這導致了高分子體系取向冷凍研宄和套用的相對滯後的發展。正是因為取向冷凍技術的關注焦點過多的聚焦在了陶瓷漿液的冷凍上，所以上述各種理論大多數都是基於對陶瓷顆粒的取向冷凍實驗觀測而得到的。但是對於高分子體系，上述理論依然具有可靠的現實意義。對於高分子/高分子體系，取向冷凍的過程可以看作是一種由冰晶生長誘導的相分離過程。這個過程只要保證高分子分子鏈均勻的分散在溶劑中，就可以對體系進行取向冷凍；此時高分子分子鏈相當於傳統冷凍乾燥中的陶瓷顆粒，因此操作過程的調控手段同樣滿足上文中所描述的方法。還有一種基於溶膠凝膠過程對高分子體系的取向冷凍技術，雖然這種技術是在矽溶膠中得到發展的，但是對於高分子體系分子鏈間豐富的官能團之間相互作用，這種方法同樣能夠在高分子體系中得到發展。
利用取向冷凍技術製備多孔高分子材料，原料多為溶解性較好的生物高分子材料，比如瓊脂、瓊脂糖、海藻酸鹽、殼聚糖、纖維素、幾丁質、蠶絲蛋白等；或者溶解性較好的人工高分子：聚乳酸、聚乙二醇由於這些原材料優秀的生物相容性，製得的這些多孔高分子材料多套用在生物組織工程方面。對於更多的一些人工合成的高分子，溶解性（溶劑的選擇）以及如何在製備過程中解決粘流態的高分子的固化問題進而保證材料的取向結構，是影響高分子體系在取向冷凍方向發展的最重要的兩個問題。除了上述的水溶性較好的天然高分子和少數人工高分子之外，其他工作都是在毒性較大的有機溶劑中進行冷凍的；同時固化的過程多為外加固化劑或者進行光固化等手段進行的。
取向冷凍技術的創新與發展
隨著對取向冷凍技術研究的深入和對新材料製備的渴望，取向冷凍方法獲得了很多創新的套用和改善。由於取向冷凍技術多使用單方向的溫度梯度來控制冰晶的生長，所以所獲得的材料多為單向孔道結構。為了獲得層狀結構框架，近些年來一些研宄人員發展了雙向冷凍的概念和方法。
美國加州大學的Ritchie課題組最近發展了一種簡單的雙向冷凍的方法。近期課題組研宄人員將一個楔形PDMS底座放置在傳統的取向冷凍平台上，利用楔形平台不同高度差的溫度梯度不同，成功控制了平行排列的冰晶的生長，獲得了層狀結構材料。
利用流動的漿液在具有坡度的冷台上運動時所帶的溫度差和速度差，也發展了一種構築長程有序取向結構的雙向冷凍方法。研究人員們還發展了一種場誘導技術（電場誘導、磁場誘導等）結合取向冷凍技術的複合材料製備技術。
由於溫度梯度的控制無法像外場誘導組裝一樣靈活，同時也因為取向冷凍技術在控制單個顆粒的空間行為上能力的不足，多種技術複合便是一種取長補短的嘗試。這其中以磁場誘導取向冷凍組裝技術最有發展空間，也最讓人興奮。磁場誘導不但可以定向排列磁性顆粒，利用旋轉的磁場同時可以獲得複雜的螺旋結構的。將磁性顆粒和非磁性顆粒的混合漿液放置在旋轉的磁場中，通過調控不同的實驗參數，在取向冷凍過程的同時旋轉磁場，獲得了多種具有部分螺旋圖案的多孔陶瓷。
由於取向冷凍技術在構造多層次結構材料上的技術優勢，越來越多的基於取向冷凍技術的工作開始學習生物材料精細結構，而要獲得這種精細而複雜的結構則需要更多的技術手段進行調控。如何創新和發展取向冷凍技術一直以來都是研究者們必須要面對的問題。
