Kärnbildning är bildandet av en ny kondenserad fas från en flytande fas via självmontering. Denna process är avgörande för många naturliga system och tekniska tillämpningar inklusive tillverkning av läkemedel och avancerade material, bildandet av moln, mineralbildning i jordskorpan, och stabiliteten hos proteiner. Medan forskare har studerat kärnbildning i över ett sekel, det förblir en svårfångad process eftersom den sker sporadiskt i tiden. Dessutom, en kärna kan vara mindre än en nanometer (10 ^-9 m) i storlek.

Än så länge, indirekta metoder och simuleringar har använts för att studera kärnbildning - att bokstavligen titta på kärnbildningsprocessen har varit utom vetenskaplig räckvidd. En utmaning är att processen nästan alltid sker vid ett fast-vätskegränssnitt, göra kärnbildning mer energiskt gynnsam. Dock, identiteten för kärnbildningsställena (dvs. deras form och kemi) är nästan aldrig känd - vilket betyder reglerna som dikterar var processen kommer att ske, och hur snabbt, är okända – vilket gör det svårt att förutsäga resultatet, Således, begränsar forskarnas förmåga att exakt förutsäga mineralomvandlingar i jordskorpan, vädermönster, och optimala förhållanden för syntes av avancerade material.

För detta ändamål, forskare vid University of Maryland (UMD) Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) har nyligen publicerat en studie i Journal of the American Chemical Society beskriver upptäckten av en ny avbildningsmetod - kinetisk kartläggning av kärnbildning i nanoskala - som möjliggör direkt avbildning av kärnbildningshändelser vid ett fast-vätskegränssnitt. Genom användning av sveptransmissionselektronmikroskopi och en miljömikrofluidisk cell (LC-STEM), gruppen – ledd av ChBE biträdande professor Taylor Woehl – ​​bevittnade heterogen kärnbildning vid ett gränssnitt mellan kiselnitrid och vatten. Mei Wang, en ChBE Ph.D. Studerande, fungerade som första författare till studien. Denna studie representerar ett av de första fallen där kinetiken för kärnbildning har varit direkt kopplad till identiteten för kärnbildningsställena.

"Genom skapandet av kartor i nanoskala som visar den lokala kärnbildningskinetiken - med andra ord, hur snabbt kärnor bildas lokalt – vi fann att kärnbildning företrädesvis skedde diskret, nanometerstora områden av gränssnittet, " sade Dr. Woehl. "Den mest spännande aspekten var hur olikformig kärnbildningskinetiken var på det makroskopiskt platta, homogent gränssnitt. En djupgående studie av gränssnittet visade att fördelningen av ytkemiska grupper var mycket ojämn. Tillsammans med en teoretisk modell, våra resultat visade att heterogen kärnbildning företrädde företrädesvis på dessa domäner av ytkemiska grupper."

Brett, denna forskning har två resultat:för det första, den avslöjar att kärnbildningskinetiken kan vara olikformig vid ett fast-vätskegränssnitt som verkar vara enhetligt på makroskalan.

För det andra, studien introducerar en ny elektronmikroskopiteknik som kan följa heterogen kärnbildning vid ett fast-vätskegränssnitt med upplösning i nanometerskala.

"Vi förväntar oss att vår studie kommer att ha viktiga konsekvenser inom flera forskningsområden, "Woehl sa. "Denna forskning tänjer på gränserna för vår nuvarande förståelse av kärnbildning vid komplexa fast-vätskegränssnitt - sådana gränssnitt inkluderar de på aerosolpartiklar som orsakar molnbildning genom kärnbildning av vattendroppar, eller mineralvattengränssnitt i jordskorpan där avsättning av nya mineral sker via heterogen kärnbildning."

Wang tillägger att "Våra resultat visade att variationer i naturlig ytkemi på ett enhetligt gränssnitt avsevärt kan påverka kärnbildningskinetik för nanokristaller. Detta fynd är inte bara viktigt i transmissionselektronmikroskopigemenskapen för att studera nanokristallers bildningskinetik, men kan också ge nya insikter för andra tekniska processer som involverar ytkristallisering, såsom syntes av nanomaterial eller avancerade energimaterial som halidperovskitsolceller och batterielektroder."