Forskere udvikler en ny metode til at detektere kernedannelse

Når en opløsning fordamper, de opløste kemikalier koncentrerer sig, indtil de begynder at danne en krystal gennem en proces kaldet nukleation. Industrier, der bruger små krystaller i lægemidler, mad og mikroelektronik søger at forstå denne kernehændelse. Forskere, der studerer nukleation, bruger ofte mikroskopiske dråber som miniatureforsøg, der kan køre hurtigt, parallelt, og i et lille rum. Imidlertid, disse forsøg kræver billeder i høj opløsning, begrænsning af antallet af dråbe billeder, der kan behandles samtidigt.

Forskere har for nylig overvundet denne resolutionsudfordring ved at fokusere deres målinger på kontrasten mellem dråber og deres omgivende medium. Denne teknik, udgivet i denne uge i AIP forskud , giver den mest nøjagtige og effektive metode til påvisning af krystalkernen til dato.

Krystalkernen er en iboende stokastisk proces, og estimering af hver nukleationstid kræver vækstmodeller, der arbejder baglæns fra det tidspunkt, hvor krystallen voksede til en påviselig størrelse. Denne tidsmæssige kløft kan variere fra flere minutter til timer.

"Det er som at sige, når nogen blev gravid, når barnet var udenfor, "sagde Romain Grossier, forfatter til papiret ved French National Center for Scientific Research og Aix-Marseille University. "Vi registrerer graviditetsøjeblikket."

For at bestemme den tid, det tager for en krystal at nukleere i en mikrodråbe, teamet genererede et gitter af identiske saltvandsmikrodråber dækket af et tyndt lag olie. Vand er let opløseligt i olie ved disse forhold, så vandet begyndte at diffundere ind i dets omgivelser, efterligner fordampningsprocessen.

Forskerne konverterede billedet af hver dråbe og den omkringliggende region til en skalar, standardafvigelsen af ​​pixelernes gråhed, og sporet denne værdi, da den ændrede sig. Når krystallen endelig dannes, dets tilstedeværelse forhindrer den glatte udvikling af brydningsindekset, som fremstår som et pludseligt spring i gråhedsniveauet. Dette sætter forskerne i stand til nøjagtigt at måle tiden til kernedannelse uden at løse krystallen eller tage antagelser om nukleationsmekanismerne. Interessant nok, høje saltkoncentrationer i mikrodråberne forårsager eksplosiv vækst, reducere forsinkelsen mellem nukleation og detektion til 0,5 sekunder eller mindre.

Hver dråbe forsvinder også i en kort periode, når dets brydningsindeks falder sammen med det omgivende medium. Dette sker altid ved samme koncentration for et givet system, og kan beregnes på forhånd. Forskerne ønsker at udvikle en model for koncentrationen mellem hvornår dråben forsvinder og kernetiden, der kan sætte dem i stand til at løse konkurrerende teorier om krystalkernen i fremtiden.

Teamet blev overrasket over at opdage, at mikrodråber ikke altid var uafhængige af hinanden, som tidligere var antaget. Nogle gange forsinkede nukleation i en mikrodråbe nukleation i sine naboer, fordi den øgede udstrømning af vand fra den første dråbe midlertidigt fortyndede de andre. Teamet planlægger at øge mikrodråbernes uafhængighed i fremtidige forsøg.