Kalciumkarbonat finns nästan överallt, i trottoarcement, väggfärg, antacida tabletter och djupt under jorden. Ingenjörer vid Washington University i St Louis har använt en unik uppsättning toppmoderna bildtekniker för att upptäcka hur kalciumkarbonatnanopartiklar bildas, vilket är viktigt för dem som tillverkar karbonat nanomaterial och kontrollerar metallkarbonatisering under CO2-bindning.

Young-Shin Jun, professor i energi, miljö- och kemiteknik på Högskolan för teknik och tillämpad vetenskap, och Quingun Li, en före detta doktorand i sitt labb, är de första som mäter aktiveringsenergin och kinetiska faktorer för kalciumkarbonats kärnbildning, båda nyckeln till att förutsäga och kontrollera processen. Kärnbildning är det första steget i att bilda en fast fas i ett flytande system, som sockerkristaller som bildas på snöre för att göra stengodis. Resultaten av forskningen publiceras i Kommunikationskemi 19 september.

juni, en expert på kärnbildning av fasta ämnen, och hennes team undersökte sätt att styra hastigheten och platsen för kärnbildning, såväl som formen på de framträdande fasta ämnena.

"Vårt känslighetstest visar vilka syntesförhållanden som påskyndar kärnbildning mer effektivt, " sa hon. "Ska vi ändra drivkraften genom att öka koncentrationen av vissa joner, eller ska vi ändra materialets ytegenskaper eller systemets temperatur? Nu kan vi förutsäga det här resultatet."

Tidigare, när forskare beskrev kärnbildning, de beskrev antalet händelser som inträffar i en kubikmeter eller kvadratmeter varje minut eller varje timme, men det gav inte en fullständig bild av kemin, Jun förklarade. Med den nya informationen, Jun och hennes team kan definitivt säga hur koncentrerade kalciumkarbonatnanopartiklarna är i ett givet utrymme under en given tidsperiod, vilket gör att de kan kontrollera kärnbildning. Tills nu, dessa termodynamiska och kinetiska faktorer har förblivit okända eftersom realtidsobservationer är svåra att utföra på så små partiklar:Den allra första storleken på kalciumkarbonatpartiklarna som bildas på kvarts är cirka 8 nanometer, eller 8 miljarddelar av en meter, i diameter. Tidigare forskning inom detta område har huvudsakligen utförts med molekylär modellering, vilket har varit otillräckligt för att avslöja de kinetiska faktorerna för kärnbildning.

I experiment vid Argonne National Laboratory, Juns grupp använde liten vinkelröntgenspridning för in situ-sondering av nanopartiklarna. I hennes labb vid Washington University, de använde atomkraftsmikroskopi för ex situ-avbildning av kalciumkarbonatbildande kärnor på kvarts.

"Att veta om kärnbildning ger oss möjlighet att skapa nanomaterial och tillåter oss att kontrollera nanopartikelegenskaper och ytfunktionalisering av material, hjälpa hållbar nanotillverkning, "Sade Jun. "Att dechiffrera kärnbildning hjälper också till att designa större tekniska processer där kärnbildning förändrar materialens makroskopiska egenskaper. Varje enskilt material börjar med kärnbildning, så denna process kan tillämpas på vad som helst. Vi förstår nu "starten" bättre."