Calciumcarbonaat komt bijna overal voor, in stoepcement, muurverf, antacidumtabletten en diep onder de grond. Ingenieurs van de Washington University in St. Louis hebben een unieke reeks geavanceerde beeldvormingstechnieken gebruikt om te ontdekken hoe calciumcarbonaat nanodeeltjes kiemen, wat belangrijk is voor degenen die de carbonaatnanomaterialen vervaardigen en de metaalcarbonatatie tijdens CO2-sequestratie beheersen.

Jong-Shin juni, hoogleraar energie, milieu- en chemische technologie in de School of Engineering &Applied Science, en Quingun Li, een voormalig promovendus in haar lab, zijn de eersten die de activeringsenergie en kinetische factoren van de kiemvorming van calciumcarbonaat meten, beide essentieel voor het voorspellen en beheersen van het proces. Nucleatie is de eerste stap bij het vormen van een vaste fase in een vloeistofsysteem, zoals suikerkristallen die zich op touw vormen om rock candy te maken. Resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Communicatiechemie 19 september.

juni, een expert in de kiemvorming van vaste stoffen, en haar team onderzochten manieren om de snelheid en locatie van kiemvorming te regelen, evenals de vorm van de opkomende vaste stoffen.

"Onze gevoeligheidstest laat zien welke syntheseomstandigheden nucleatie effectiever versnellen, "zei ze. "Moeten we de drijvende kracht veranderen door de concentratie van bepaalde ionen te verhogen, of moeten we de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal of de temperatuur van het systeem veranderen? Nu kunnen we deze uitkomst voorspellen."

Eerder, toen wetenschappers kiemvorming beschreven, ze beschreven het aantal gebeurtenissen dat zich elke minuut of elk uur in een kubieke of vierkante meter voordeed, maar dat gaf geen volledig beeld van de chemie, Jun uitgelegd. Met de nieuwe informatie, Jun en haar team kunnen definitief zeggen hoe geconcentreerd de calciumcarbonaat-nanodeeltjes in een bepaalde ruimte zijn gedurende een bepaalde periode, waardoor ze de kiemvorming kunnen beheersen. Tot nu, deze thermodynamische en kinetische factoren zijn onbekend gebleven omdat realtime-waarnemingen moeilijk zijn uit te voeren op deeltjes die zo klein zijn:de allereerste grootte van de calciumcarbonaatdeeltjes die zich op kwarts vormen, is ongeveer 8 nanometer, of 8 miljardsten van een meter, in diameter. Eerder onderzoek op dit gebied is voornamelijk uitgevoerd met moleculaire modellering, die onvoldoende was om de kinetische factoren van nucleatie te onthullen.

In experimenten in het Argonne National Laboratory, Jun's groep gebruikte kleine hoek röntgenverstrooiing voor in situ sonderen van de nanodeeltjes. In haar lab aan de Washington University, ze gebruikten atoomkrachtmicroscopie voor ex situ beeldvorming van calciumcarbonaatkiemvorming op kwarts.

"Weten over nucleatie stelt ons in staat om nanomaterialen te maken en stelt ons in staat om de eigenschappen van nanodeeltjes en oppervlaktefunctionalisering van materialen te controleren, het helpen van duurzame nanofabricage, " zei Jun. "Het ontcijferen van kiemvorming helpt ook bij het ontwerpen van grootschalige technische processen waarbij kiemvorming de macroscopische eigenschappen van materialen verandert. Elk materiaal begint met kiemvorming, dus dit proces kan op alles worden toegepast. We begrijpen de 'start' nu beter."