成核是可持续纳米制造的福音

碳酸钙几乎遍布各处，人行道水泥，墙面涂料，抗酸药片和地下深处。圣路易斯华盛顿大学的工程师使用一套独特的先进成像技术来发现碳酸钙纳米粒子如何成核，这对于制造碳酸盐纳米材料和控制二氧化碳封存过程中的金属碳化非常重要。

Young-Shin Jun，工程与应用科学学院能源，环境与化学工程教授，以及她实验室的前博士生Quingun Li，是第一个测量碳酸钙成核活化能和动力学因素的人，两者都是预测和控制过程的关键。成核是在流体系统中形成固相的初始步骤，例如在绳上形成糖晶体以制造冰糖。

“我们的灵敏度测试表明哪种合成条件可以更有效地加速成核，”她说。“我们应该通过增加某些离子的浓度来改变驱动力，还是应该改变材料的表面特性或系统的温度?现在我们可以预测这种结果。”

Jun先生解释说，以前，当科学家描述成核时，他们描述了每分钟或每小时发生在立方米或平方米中的事件数量，但这并没有给出完整的化学图像。根据这些新信息，Jun和她的团队可以明确地说明在给定时间内碳酸钙纳米粒子在给定空间中的浓度有多大，这使得它们能够控制成核。到目前为止，这些热力学和动力学因素仍然未知，因为对如此小的颗粒难以进行实时观察：在石英上形成的碳酸钙颗粒的第一尺寸大约是8纳米，或者是十亿分之一米，直径。以前在该领域的研究主要是通过分子建模进行的，

在阿贡国家实验室的实验中，Jun的小组使用小角度X射线散射进行纳米粒子的原位探测。在华盛顿大学的实验室中，他们使用原子力显微镜对碳酸钙在石英上成核的非原位成像。

“了解成核使我们能够创造纳米材料，并使我们能够控制纳米粒子的性质和材料的表面功能化，从而有助于可持续的纳米制造，”Jun说。“解密成核也有助于设计更大规模的工程过程，其中成核会改变材料的宏观特性。每一种材料都从成核开始，因此这个过程可以适用于任何事物。我们现在更好地理解'开始'。”