Nucleation en velsignelse for bæredygtig nanofremstilling

Calciumcarbonat findes næsten overalt, i fortovscement, vægmaling, antacida tabletter og dybt under jorden. Ingeniører ved Washington University i St. Louis har brugt et unikt sæt avancerede billedbehandlingsteknikker til at opdage, hvordan calciumcarbonat-nanopartikler dannes i kerne, hvilket er vigtigt for dem, der fremstiller karbonat-nanomaterialerne og kontrollerer metalkarbonatisering under CO2-binding.

Young-Shin Jun, professor i energi, miljø- og kemiteknik på School of Engineering &Applied Science, og Quingun Li, en tidligere doktorand i sit laboratorium, er de første til at måle aktiveringsenergien og kinetiske faktorer for calciumcarbonats kernedannelse, begge nøgler til at forudsige og kontrollere processen. Nukleering er det indledende trin i dannelsen af ​​en fast fase i et væskesystem, såsom sukkerkrystaller, der dannes på snor for at lave stenslik. Resultaterne af forskningen er publiceret i Kommunikationskemi 19. sept.

juni, en ekspert i kernedannelse af faste stoffer, og hendes team undersøgte måder at styre hastigheden og placeringen af ​​nukleation, samt formen af ​​de fremkommende faste stoffer.

"Vores følsomhedstest viser, hvilke syntesebetingelser der accelererer nukleering mere effektivt, " sagde hun. "Skal vi ændre drivkraften ved at øge koncentrationen af ​​visse ioner, eller skal vi ændre materialets overfladeegenskaber eller systemets temperatur? Nu kan vi forudsige dette resultat."

Tidligere, da videnskabsmænd beskrev kernedannelse, de beskrev antallet af begivenheder, der finder sted i en kubikmeter eller kvadratmeter hvert minut eller hver time, men det gav ikke et fuldstændigt billede af kemien, Jun forklarede. Med de nye oplysninger, Jun og hendes team kan med sikkerhed sige, hvor koncentrerede calciumcarbonat-nanopartiklerne er i et givet rum over en given tidsperiode, som giver dem mulighed for at kontrollere kernedannelse. Indtil nu, disse termodynamiske og kinetiske faktorer er forblevet ukendte, fordi realtidsobservationer er vanskelige at udføre på så små partikler:Den allerførste størrelse af de calciumcarbonatpartikler, der dannes på kvarts, er omkring 8 nanometer, eller 8 milliardtedele af en meter, i diameter. Tidligere forskning på dette område er primært blevet udført med molekylær modellering, hvilket har været utilstrækkeligt til at afsløre de kinetiske faktorer ved kernedannelse.

I eksperimenter ved Argonne National Laboratory, Juns gruppe brugte lille vinkel røntgenspredning til in situ sondering af nanopartiklerne. I hendes laboratorium på Washington University, de brugte atomkraftmikroskopi til ex situ billeddannelse af calciumcarbonatkernedannelse på kvarts.

"Ved at vide om kernedannelse giver os mulighed for at skabe nanomaterialer og giver os mulighed for at kontrollere nanopartikelegenskaber og overfladefunktionalisering af materialer, hjælper med bæredygtig nanofremstilling, " sagde Jun. "Dechifrering af kernedannelse hjælper også med at designe større ingeniørprocesser, hvor kernedannelse ændrer materialers makroskopiske egenskaber. Hvert enkelt materiale starter med kernedannelse, så denne proces kan anvendes til alt. Vi forstår nu 'starten' bedre."