Le carbonate de calcium se trouve presque partout, en ciment de trottoir, peinture murale, comprimés antiacides et sous terre profonde. Les ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis ont utilisé un ensemble unique de techniques d'imagerie de pointe pour découvrir comment les nanoparticules de carbonate de calcium nucléent, ce qui est important pour ceux qui fabriquent les nanomatériaux de carbonate et contrôlent la carbonatation des métaux pendant la séquestration du CO2.

Jeune-Shin Jun, professeur d'énergie, génie environnemental et chimique à l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, et Quingun Li, une ancienne doctorante dans son laboratoire, sont les premiers à mesurer l'énergie d'activation et les facteurs cinétiques de nucléation du carbonate de calcium, les deux clés pour prédire et contrôler le processus. La nucléation est l'étape initiale de la formation d'une phase solide dans un système fluide, tels que des cristaux de sucre qui se forment sur une ficelle pour faire des bonbons de roche. Les résultats de la recherche sont publiés dans Chimie des communications 19 septembre.

juin, un expert de la nucléation des solides, et son équipe ont exploré des moyens de régir la vitesse et l'emplacement de la nucléation, ainsi que la forme des solides émergents.

"Notre test de sensibilité montre quelles conditions de synthèse accélèrent plus efficacement la nucléation, " dit-elle. " Devrions-nous changer la force motrice en augmentant la concentration de certains ions, ou faut-il changer les propriétés de surface du matériau ou la température du système ? Maintenant, nous pouvons prédire ce résultat."

Précédemment, quand les scientifiques ont décrit la nucléation, ils ont décrit le nombre d'événements se produisant dans un mètre cube ou carré chaque minute ou chaque heure, mais cela ne donne pas une image complète de la chimie, Jun a expliqué. Avec les nouvelles informations, Jun et son équipe peuvent dire avec certitude à quel point les nanoparticules de carbonate de calcium sont concentrées dans un espace donné sur une période de temps donnée, ce qui leur permet de contrôler la nucléation. Jusqu'à maintenant, ces facteurs thermodynamiques et cinétiques sont restés inconnus car les observations en temps réel sont difficiles à réaliser sur des particules si petites :La toute première taille des particules de carbonate de calcium se formant sur le quartz est d'environ 8 nanomètres, ou 8 milliardièmes de mètre, en diamètre. Les recherches antérieures dans ce domaine ont été réalisées principalement avec la modélisation moléculaire, ce qui a été insuffisant pour révéler les facteurs cinétiques de la nucléation.

Dans des expériences au Laboratoire National d'Argonne, Le groupe de Jun a utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles pour sonder in situ les nanoparticules. Dans son laboratoire de l'Université de Washington, ils ont utilisé la microscopie à force atomique pour l'imagerie ex situ de la nucléation du carbonate de calcium sur quartz.

"Connaître la nucléation nous permet de créer des nanomatériaux et nous permet de contrôler les propriétés des nanoparticules et la fonctionnalisation de surface des matériaux, aider à la nanofabrication durable, " a déclaré Jun. " Le déchiffrement de la nucléation aide également à concevoir des processus d'ingénierie à plus grande échelle où la nucléation modifie les propriétés macroscopiques des matériaux. Chaque matériau commence par la nucléation, donc ce processus peut être applicable à n'importe quoi. Nous comprenons maintenant mieux le 'départ'."