Nucleatie is de vorming van een nieuwe gecondenseerde fase uit een vloeibare fase via zelfassemblage. Dit proces is van cruciaal belang voor veel natuurlijke systemen en technische toepassingen, waaronder de productie van geneesmiddelen en geavanceerde materialen, de vorming van wolken, vorming van mineralen in de aardkorst, en de stabiliteit van eiwitten. Terwijl wetenschappers nucleatie al meer dan een eeuw bestuderen, het blijft een ongrijpbaar proces omdat het sporadisch in de tijd voorkomt. Bovendien, een kern kan kleiner zijn dan een nanometer (10 ^-9 m) groot.

Zo ver, indirecte methoden en simulaties zijn gebruikt om kiemvorming te bestuderen - letterlijk kijken naar het kiemvormingsproces was buiten wetenschappelijk bereik. Een uitdaging is dat het proces bijna altijd plaatsvindt op een vast-vloeibaar grensvlak, waardoor nucleatie energetisch gunstiger wordt. Echter, de identiteit van de nucleatieplaatsen (d.w.z. hun vorm en chemie) is bijna nooit bekend - wat betekent dat de regels bepalen waar het proces zal plaatsvinden, en hoe snel, zijn onbekend, waardoor het moeilijk is om de uitkomst te voorspellen, dus, het beperken van het vermogen van wetenschappers om minerale transformaties in de aardkorst nauwkeurig te voorspellen, weer patronen, en optimale omstandigheden voor de synthese van geavanceerde materialen.

Daartoe, onderzoekers van de University of Maryland (UMD) Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) hebben onlangs een studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society detaillering van de ontdekking van een nieuwe beeldvormingsmethode - kinetische mapping op nanoschaal - waarmee directe beeldvorming van nucleatiegebeurtenissen op een vast-vloeibaar grensvlak mogelijk is. Door het gebruik van scanning transmissie-elektronenmicroscopie en een omgevingsmicrofluïdische cel (LC-STEM), de groep - geleid door ChBE-assistent-professor Taylor Woehl - was getuige van heterogene nucleatie op een siliciumnitride-water-interface. Mei Wang, een ChBE Ph.D. Student, diende als eerste auteur van de studie. Deze studie vertegenwoordigt een van de eerste gevallen waarin de kinetiek van nucleatie direct is verbonden met de identiteit van de nucleatieplaatsen.

"Door het maken van kaarten op nanoschaal die de lokale nucleatiekinetiek tonen - met andere woorden, hoe snel kernen lokaal worden gevormd - we ontdekten dat nucleatie bij voorkeur plaatsvond op discrete, nanometergrote gebieden van de interface, " zei Dr. Woehl. "Het meest intrigerende aspect was hoe niet-uniform de kiemvormingskinetiek was op de macroscopisch vlakke, homogene interface. Een diepgaande studie van het grensvlak onthulde dat de verdeling van chemische oppervlaktegroepen zeer niet-uniform was. Samen met een theoretisch model, onze resultaten toonden aan dat heterogene kiemvorming bij voorkeur plaatsvond op deze domeinen van chemische oppervlaktegroepen."

Breed, dit onderzoek heeft twee uitkomsten:ten eerste, het laat zien dat kiemvormingskinetiek niet-uniform kan zijn bij een vast-vloeibaar grensvlak dat op macroschaal uniform lijkt te zijn.

Ten tweede, de studie introduceert een nieuwe elektronenmicroscopietechniek die in staat is om heterogene kiemvorming te volgen op een vast-vloeibaar grensvlak met een resolutie op nanometerschaal.

"We verwachten dat onze studie belangrijke implicaties zal hebben op verschillende onderzoeksgebieden, Woehl zei. "Dit onderzoek verlegt de grenzen van ons huidige begrip van kiemvorming bij complexe vaste-vloeistof-interfaces - dergelijke interfaces omvatten die op aerosoldeeltjes die wolkenvorming veroorzaken door kiemvorming van waterdruppels, of mineraalwater-interfaces in de aardkorst waar afzetting van nieuwe mineralen plaatsvindt via heterogene nucleatie."

Wang voegt toe:"Onze resultaten toonden aan dat variaties in de natuurlijke oppervlaktechemie op een uniform grensvlak de kiemvormingskinetiek van nanokristallen aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Deze bevinding is niet alleen belangrijk in de transmissie-elektronenmicroscopiegemeenschap voor het bestuderen van de vormingskinetiek van nanokristallen, maar kan ook nieuwe inzichten opleveren voor andere technologische processen waarbij oppervlaktekristallisatie betrokken is, zoals de synthese van nanomaterialen of geavanceerde energiematerialen zoals halide-perovskiet-zonnecellen en batterij-elektroden."