Als een oplossing verdampt, de opgeloste chemicaliën concentreren zich totdat ze een kristal beginnen te vormen via een proces dat nucleatie wordt genoemd. Industrieën die kleine kristallen gebruiken in farmaceutische producten, voedsel en micro-elektronica proberen deze kiemvormingsgebeurtenis te begrijpen. Wetenschappers die kiemvorming bestuderen, gebruiken vaak microscopisch kleine druppeltjes als miniatuurexperimenten die snel kunnen worden uitgevoerd, parallel, en in een kleine ruimte. Echter, deze experimenten vereisen afbeeldingen met een hoge resolutie, beperking van het aantal druppelbeelden dat tegelijkertijd kan worden verwerkt.

Onderzoekers hebben onlangs deze resolutie-uitdaging overwonnen door hun metingen te concentreren op het contrast tussen druppeltjes en hun omringende medium. Deze techniek, deze week gepubliceerd in AIP-vooruitgang , biedt de meest nauwkeurige en efficiënte methode voor het detecteren van kristalkiemvorming tot nu toe.

Kristalkiemvorming is een inherent stochastisch proces, en het schatten van elke kiemvormingstijd vereist groeimodellen die achteruit werken vanaf het moment waarop het kristal groeide tot een detecteerbare grootte. Deze tijdelijke kloof kan variëren van enkele minuten tot uren.

"Het is hetzelfde als zeggen dat wanneer iemand zwanger werd zodra de baby buiten is, " zei Romain Grossier, een auteur van het artikel bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en de Universiteit van Aix-Marseille. "We detecteren het moment van de zwangerschap."

Om de tijd te bepalen die een kristal nodig heeft om te kiemen in een microdruppel, het team genereerde een raster van identieke zoutwatermicrodruppeltjes bedekt met een dunne laag olie. Water is in deze verhoudingen enigszins oplosbaar in olie, dus het water begon te diffunderen in de omgeving, het verdampingsproces nabootsen.

De onderzoekers hebben het beeld van elke druppel en het omliggende gebied omgezet in een scalair, de standaarddeviatie van de grijsheid van de pixels, en volgde deze waarde terwijl deze veranderde. Wanneer het kristal zich uiteindelijk vormt, zijn aanwezigheid belemmert de vlotte evolutie van de brekingsindex, die verschijnt als een plotselinge sprong in het grijsniveau. Dit stelt de wetenschappers in staat om de tijd tot kiemvorming nauwkeurig te meten zonder het kristal op te lossen of aannames te doen over de kiemvormingsmechanismen. interessant, hoge zoutconcentraties in de microdruppeltjes zorgen voor explosieve groei, het verkorten van de vertraging tussen kiemvorming en detectie tot 0,5 seconden of minder.

Elke druppel verdwijnt ook voor een korte periode wanneer zijn brekingsindex samenvalt met het omringende medium. Dit gebeurt altijd bij dezelfde concentratie voor een bepaald systeem, en kan vooraf worden berekend. De onderzoekers willen een model ontwikkelen voor de concentratie tussen het moment waarop de druppel verdwijnt en de kiemvormingstijd waarmee ze in de toekomst concurrerende theorieën over kristalkiemvorming kunnen oplossen.

Het team was verrast om te ontdekken dat microdruppeltjes niet altijd onafhankelijk van elkaar waren, zoals eerder werd aangenomen. Soms vertraagde kiemvorming in één microdruppel de kiemvorming in zijn buren omdat de verhoogde uitstroom van water uit de eerste druppel de andere tijdelijk verdunt. Het team is van plan om de onafhankelijkheid van de microdruppeltjes in toekomstige experimenten te vergroten.