La nucleazione è la formazione di una nuova fase condensata da una fase fluida tramite autoassemblaggio. Questo processo è fondamentale per molti sistemi naturali e applicazioni tecniche, compresa la produzione di prodotti farmaceutici e materiali avanzati, la formazione di nuvole, formazione di minerali nella crosta terrestre, e la stabilità delle proteine. Mentre gli scienziati studiano la nucleazione da oltre un secolo, rimane un processo elusivo perché si verifica sporadicamente nel tempo. Inoltre, un nucleo può essere inferiore a un nanometro (10 ^-9 m) di dimensioni.

Finora, metodi e simulazioni indirette sono stati utilizzati per studiare la nucleazione:osservare letteralmente il processo di nucleazione è stato al di là della portata scientifica. Una sfida è che il processo avviene quasi sempre in corrispondenza di un'interfaccia solido-liquido, rendendo la nucleazione più energeticamente favorevole. Però, l'identità dei siti di nucleazione (cioè, la loro forma e chimica) non è quasi mai noto, ovvero le regole che dettano dove avverrà il processo, e quanto velocemente, sono sconosciuti, rendendo difficile prevedere il risultato, così, limitando la capacità degli scienziati di prevedere con precisione le trasformazioni minerali nella crosta terrestre, modelli meteorologici, e condizioni ottimali per la sintesi di materiali avanzati.

A quello scopo, ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare (ChBE) dell'Università del Maryland (UMD) hanno recentemente pubblicato uno studio nel Giornale della Società Chimica Americana dettagliando la scoperta di un nuovo metodo di imaging, la mappatura cinetica di nucleazione su nanoscala, che consente l'imaging diretto degli eventi di nucleazione in un'interfaccia solido-liquido. Attraverso l'uso della microscopia elettronica a trasmissione a scansione e di una cella microfluidica ambientale (LC-STEM), il gruppo, guidato dall'assistente professore di ChBE Taylor Woehl, ha assistito alla nucleazione eterogenea in un'interfaccia nitruro di silicio-acqua. Mei Wang, un Ph.D. ChBE Alunno, è stato il primo autore dello studio. Questo studio rappresenta uno dei primi casi in cui la cinetica di nucleazione è stata direttamente collegata all'identità dei siti di nucleazione.

"Attraverso la creazione di mappe su nanoscala che mostrano la cinetica di nucleazione locale, in altre parole, quanto velocemente i nuclei si formano localmente:abbiamo scoperto che la nucleazione avveniva preferibilmente a discreti, regioni di dimensioni nanometriche dell'interfaccia, " ha detto il dottor Woehl. "L'aspetto più intrigante è stato il modo in cui la cinetica di nucleazione non era uniforme sul piano macroscopicamente piatto, interfaccia omogenea. Uno studio approfondito dell'interfaccia ha rivelato che la distribuzione dei gruppi chimici di superficie è altamente non uniforme. Insieme a un modello teorico, i nostri risultati hanno mostrato che la nucleazione eterogenea si è verificata preferenzialmente su questi domini di gruppi chimici di superficie".

A grandi linee, questa ricerca ha due risultati:primo, rivela che la cinetica di nucleazione può essere non uniforme in corrispondenza di un'interfaccia solido-liquido che sembra essere uniforme su macroscala.

In secondo luogo, lo studio introduce una nuova tecnica di microscopia elettronica in grado di seguire la nucleazione eterogenea ad un'interfaccia solido-liquido con risoluzione su scala nanometrica.

"Ci aspettiamo che il nostro studio avrà importanti implicazioni in diversi campi di ricerca, " ha detto Woehl. "Questa ricerca spinge i confini della nostra attuale comprensione della nucleazione in complesse interfacce solido-liquido, tali interfacce includono quelle su particelle di aerosol che causano la formazione di nubi attraverso la nucleazione di goccioline d'acqua, o interfacce acqua minerale nella crosta terrestre dove avviene la deposizione di nuovi minerali tramite nucleazione eterogenea."

Wang aggiunge che "I nostri risultati hanno mostrato che le variazioni nella chimica della superficie nativa su un'interfaccia uniforme possono influenzare significativamente la cinetica di nucleazione dei nanocristalli. Questa scoperta non è importante solo nella comunità della microscopia elettronica a trasmissione per studiare la cinetica di formazione dei nanocristalli, ma può anche fornire nuove intuizioni per altri processi tecnologici che coinvolgono la cristallizzazione superficiale, come la sintesi di nanomateriali o materiali energetici avanzati come le celle solari ad alogenuri perovskite e gli elettrodi delle batterie".