Kortlægning af nukleationskinetik med nanometeropløsning

Nukleering er dannelsen af ​​en ny kondenseret fase fra en flydende fase via selvsamling. Denne proces er afgørende for mange naturlige systemer og tekniske applikationer, herunder fremstilling af lægemidler og avancerede materialer, dannelsen af ​​skyer, mineraldannelse i jordskorpen, og stabiliteten af ​​proteiner. Mens videnskabsmænd har studeret kernedannelse i over et århundrede, det forbliver en uhåndgribelig proces, fordi den forekommer sporadisk i tiden. I øvrigt, en kerne kan være mindre end en nanometer (10 ^-9 m) i størrelse.

Så langt, indirekte metoder og simuleringer er blevet brugt til at studere kernedannelse - bogstaveligt talt at se kernedannelsesprocessen foregå har været uden for videnskabelig rækkevidde. En udfordring er, at processen næsten altid foregår ved en fast-væske grænseflade, gør nukleation mere energisk gunstig. Imidlertid, identiteten af ​​kernedannelsesstederne (dvs. deres form og kemi) er næsten aldrig kendt - hvilket betyder reglerne, der dikterer, hvor processen vil finde sted, og hvor hurtigt, er ukendte - hvilket gør det svært at forudsige resultatet, dermed, begrænser videnskabsmænds evne til nøjagtigt at forudsige mineraltransformationer i jordskorpen, vejrmønstre, og optimale betingelser for syntese af avancerede materialer.

Til det formål, forskere ved University of Maryland (UMD) Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) har for nylig offentliggjort en undersøgelse i Journal of the American Chemical Society detaljering af opdagelsen af ​​en ny billeddannelsesmetode - kinetisk kortlægning af nukleation i nanoskala - som tillader direkte billeddannelse af nukleationshændelser ved en fast-væske-grænseflade. Gennem brug af scanningstransmissionselektronmikroskopi og en miljømæssig mikrofluidisk celle (LC-STEM), gruppen – ledet af ChBE assisterende professor Taylor Woehl – ​​var vidne til heterogen kernedannelse ved en siliciumnitrid-vand-grænseflade. Mei Wang, en ChBE Ph.D. Studerende, fungerede som første forfatter til undersøgelsen. Denne undersøgelse repræsenterer et af de første tilfælde, hvor kinetikken af ​​kernedannelse har været direkte forbundet med identiteten af ​​kernedannelsesstederne.

"Gennem oprettelsen af ​​nanoskalakort, der viser den lokale nukleationskinetik - med andre ord, hvor hurtigt kerner dannes lokalt - vi fandt ud af, at nukleering forekom fortrinsvis på diskret, nanometer store områder af grænsefladen, " sagde Dr. Woehl. "Det mest spændende aspekt var, hvor uensartet nukleationskinetikken var på det makroskopisk flade, homogen grænseflade. En dybdegående undersøgelse af grænsefladen viste, at fordelingen af ​​overfladekemiske grupper var meget uensartet. Sammen med en teoretisk model, vores resultater viste, at heterogen kernedannelse fortrinsvis fandt sted på disse domæner af overfladekemiske grupper."

Bredt, denne forskning har to resultater:For det første, det afslører, at nukleationskinetikken kan være uensartet ved en faststof-væske-grænseflade, der ser ud til at være ensartet på makroskalaen.

For det andet undersøgelsen introducerer en ny elektronmikroskopiteknik, der er i stand til at følge heterogen kernedannelse ved en faststof-væske-grænseflade med opløsning i nanometerskala.

"Vi forventer, at vores undersøgelse vil have vigtige implikationer inden for flere forskningsfelter, Woehl sagde. "Denne forskning skubber grænserne for vores nuværende forståelse af kernedannelse ved komplekse faststof-væske grænseflader - sådanne grænseflader inkluderer dem på aerosolpartikler, der forårsager skydannelse gennem kernedannelse af vanddråber, eller mineral-vand-grænseflader i jordskorpen, hvor aflejring af nye mineraler sker via heterogen kernedannelse."

Wang tilføjer, at "Vores resultater viste, at variationer i naturlig overfladekemi på en ensartet grænseflade kan påvirke nanokrystallers kernedannelseskinetik betydeligt. Dette fund er ikke kun vigtigt i transmissionselektronmikroskopi-samfundet for at studere nanokrystallers dannelseskinetik, men kan også give ny indsigt i andre teknologiske processer, der involverer overfladekrystallisation, såsom syntese af nanomaterialer eller avancerede energimaterialer som halogenid perovskit solceller og batterielektroder."