Quando una soluzione evapora, le sostanze chimiche disciolte si concentrano fino a quando iniziano a formare un cristallo attraverso un processo chiamato nucleazione. Industrie che utilizzano piccoli cristalli nei prodotti farmaceutici, cibo e microelettronica stanno cercando di capire questo evento di nucleazione. Gli scienziati che studiano la nucleazione usano spesso goccioline microscopiche come esperimenti in miniatura che possono essere eseguiti rapidamente, in parallelo, e in poco spazio. Però, questi esperimenti richiedono immagini ad alta risoluzione, limitare il numero di immagini di goccioline che possono essere elaborate contemporaneamente.

I ricercatori hanno recentemente superato questa sfida di risoluzione concentrando le loro misurazioni sul contrasto tra le goccioline e il mezzo circostante. Questa tecnica, pubblicato questa settimana in I progressi dell'AIP , fornisce il metodo più accurato ed efficiente per rilevare la nucleazione dei cristalli fino ad oggi.

La nucleazione dei cristalli è un processo intrinsecamente stocastico, e stimare ogni tempo di nucleazione richiede modelli di crescita che funzionino a ritroso dal momento in cui il cristallo è cresciuto fino a una dimensione rilevabile. Questo divario temporale può variare da alcuni minuti a ore.

"È come dire quando una persona rimane incinta una volta che il bambino è fuori, " ha detto Romain Grossier, un autore del documento presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica e l'Università di Aix-Marseille. "Rileviamo il momento della gravidanza."

Per determinare il tempo impiegato da un cristallo per nuclearsi in una microgoccia, il team ha generato una griglia di microgoccioline di acqua salata identiche ricoperte da un sottile strato di olio. L'acqua è leggermente solubile in olio a questi rapporti, così l'acqua cominciò a diffondersi nell'ambiente circostante, imitando il processo di evaporazione.

I ricercatori hanno convertito l'immagine di ogni gocciolina e della regione circostante in uno scalare, la deviazione standard del grigiore dei pixel, e ha monitorato questo valore mentre cambiava. Quando il cristallo finalmente si forma, la sua presenza ostacola la regolare evoluzione dell'indice di rifrazione, che appare come un salto improvviso nel livello di grigio. Ciò consente agli scienziati di misurare con precisione il tempo di nucleazione senza risolvere il cristallo o fare ipotesi sui meccanismi di nucleazione. interessante, elevate concentrazioni di sale nelle microgoccioline causano una crescita esplosiva, riducendo il ritardo tra la nucleazione e il rilevamento a 0,5 secondi o meno.

Ogni gocciolina scompare anche per un breve periodo quando il suo indice di rifrazione coincide con il mezzo circostante. Ciò si verifica sempre alla stessa concentrazione per un dato sistema, e può essere calcolato in anticipo. I ricercatori vogliono sviluppare un modello per la concentrazione tra la scomparsa della gocciolina e il tempo di nucleazione che potrebbe consentire loro di risolvere teorie concorrenti sulla nucleazione dei cristalli in futuro.

Il team è rimasto sorpreso nello scoprire che le microgoccioline non erano sempre indipendenti l'una dall'altra, come era stato ipotizzato in precedenza. A volte la nucleazione in una microgoccia ha ritardato la nucleazione nelle sue vicine perché l'aumento del deflusso di acqua dalla prima goccia ha temporaneamente diluito le altre. Il team prevede di aumentare l'indipendenza delle microgoccioline in esperimenti futuri.