Il carbonato di calcio si trova quasi ovunque, in cemento da marciapiede, pittura murale, compresse antiacidi e nel sottosuolo profondo. Gli ingegneri della Washington University di St. Louis hanno utilizzato una serie unica di tecniche di imaging all'avanguardia per scoprire come nucleano le nanoparticelle di carbonato di calcio, che è importante per coloro che producono i nanomateriali di carbonato e controllano la carbonatazione dei metalli durante il sequestro di CO2.

Young-Shin Jun, professore di energia, ingegneria ambientale e chimica nella Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e Quingun Li, un ex studente di dottorato nel suo laboratorio, sono i primi a misurare l'energia di attivazione e i fattori cinetici della nucleazione del carbonato di calcio, entrambi fondamentali per prevedere e controllare il processo. La nucleazione è il passo iniziale nella formazione di una fase solida in un sistema fluido, come i cristalli di zucchero che si formano sullo spago per fare lo zucchero filato. I risultati della ricerca sono pubblicati in Chimica delle comunicazioni 19 settembre.

giugno, un esperto nella nucleazione dei solidi, e il suo team ha esplorato modi per governare la velocità e la posizione della nucleazione, così come la forma dei solidi emergenti.

"Il nostro test di sensibilità mostra quali condizioni di sintesi accelerano la nucleazione in modo più efficace, " ha detto. "Dovremmo cambiare la forza motrice aumentando la concentrazione di alcuni ioni, o dovremmo cambiare le proprietà superficiali del materiale o la temperatura del sistema? Ora possiamo prevedere questo risultato".

In precedenza, quando gli scienziati hanno descritto la nucleazione, hanno descritto il numero di eventi che si verificano in un metro cubo o quadrato ogni minuto o ogni ora, ma questo non dava un quadro completo della chimica, ha spiegato giugno. Con le nuove informazioni, Jun e il suo team possono dire con certezza quanto siano concentrate le nanoparticelle di carbonato di calcio in un dato spazio in un dato periodo di tempo, che consente loro di controllare la nucleazione. Fino ad ora, questi fattori termodinamici e cinetici sono rimasti sconosciuti perché le osservazioni in tempo reale sono difficili da eseguire su particelle così piccole:le primissime dimensioni delle particelle di carbonato di calcio che si formano sul quarzo sono di circa 8 nanometri, o 8 miliardesimi di metro, di diametro. La ricerca precedente in questo settore è stata condotta principalmente con modelli molecolari, che è stato inadeguato a rivelare i fattori cinetici della nucleazione.

Negli esperimenti all'Argonne National Laboratory, Il gruppo di Jun ha utilizzato la diffusione di raggi X a piccoli angoli per il sondaggio in situ delle nanoparticelle. Nel suo laboratorio alla Washington University, hanno usato la microscopia a forza atomica per l'imaging ex situ della nucleazione del carbonato di calcio sul quarzo.

"Conoscere la nucleazione ci consente di creare nanomateriali e ci consente di controllare le proprietà delle nanoparticelle e la funzionalizzazione superficiale dei materiali, aiutare la nanoproduzione sostenibile, " Jun ha detto. "La decifrazione della nucleazione aiuta anche nella progettazione di processi ingegneristici su larga scala in cui la nucleazione modifica le proprietà macroscopiche dei materiali. Ogni singolo materiale inizia con la nucleazione, quindi questo processo può essere applicabile a qualsiasi cosa. Ora capiamo meglio l'"inizio"".