La nucléation est la formation d'une nouvelle phase condensée à partir d'une phase fluide par auto-assemblage. Ce processus est essentiel pour de nombreux systèmes naturels et applications techniques, notamment la fabrication de produits pharmaceutiques et de matériaux avancés, la formation de nuages, formation minérale dans la croûte terrestre, et la stabilité des protéines. Alors que les scientifiques étudient la nucléation depuis plus d'un siècle, il reste un processus insaisissable car il se produit sporadiquement dans le temps. De plus, un noyau peut mesurer moins d'un nanomètre (10 ^-9 m) en taille.

Jusqu'ici, des méthodes indirectes et des simulations ont été utilisées pour étudier la nucléation – littéralement, observer le processus de nucléation a été hors de portée scientifique. Un défi est que le processus se produit presque toujours à une interface solide-liquide, rendant la nucléation plus favorable énergétiquement. Cependant, l'identité des sites de nucléation (c'est-à-dire, leur forme et leur chimie) n'est presque jamais connue, c'est-à-dire les règles dictant où le processus se produira, et à quelle vitesse, sont inconnus, ce qui rend difficile la prévision du résultat, Donc, limitant la capacité des scientifiques à prédire avec précision les transformations minérales de la croûte terrestre, les conditions météorologiques, et des conditions optimales pour la synthèse de matériaux avancés.

À cette fin, des chercheurs du département de génie chimique et biomoléculaire (ChBE) de l'Université du Maryland (UMD) ont récemment publié une étude dans le Journal de l'American Chemical Society détaillant la découverte d'une nouvelle méthode d'imagerie - la cartographie cinétique de nucléation à l'échelle nanométrique - qui permet une imagerie directe des événements de nucléation à une interface solide-liquide. Grâce à l'utilisation de la microscopie électronique à transmission à balayage et d'une cellule microfluidique environnementale (LC-STEM), le groupe, dirigé par le professeur adjoint du ChBE, Taylor Woehl, a été témoin d'une nucléation hétérogène à une interface nitrure de silicium-eau. Mei Wang, un doctorat ChBE. Étudiant, a été le premier auteur de l'étude. Cette étude représente l'un des premiers cas où la cinétique de nucléation a été directement liée à l'identité des sites de nucléation.

"Grâce à la création de cartes à l'échelle nanométrique montrant la cinétique de nucléation locale - en d'autres termes, à quelle vitesse les noyaux se forment localement - nous avons constaté que la nucléation se produisait préférentiellement à des niveaux discrets, des régions de taille nanométrique de l'interface, " a déclaré le Dr Woehl. " L'aspect le plus intrigant était la non-uniformité de la cinétique de nucléation sur le plan macroscopiquement plat, interface homogène. Une étude approfondie de l'interface a révélé que la distribution des groupes chimiques de surface était très non uniforme. Avec un modèle théorique, nos résultats ont montré que la nucléation hétérogène se produisait préférentiellement sur ces domaines de groupes chimiques de surface."

Largement, cette recherche a deux résultats :premièrement, il révèle que la cinétique de nucléation peut être non uniforme à une interface solide-liquide qui semble être uniforme à l'échelle macro.

Deuxièmement, l'étude introduit une nouvelle technique de microscopie électronique capable de suivre une nucléation hétérogène à une interface solide-liquide avec une résolution à l'échelle nanométrique.

"Nous nous attendons à ce que notre étude ait des implications importantes dans plusieurs domaines de recherche, ", a déclaré Woehl. "Cette recherche repousse les limites de notre compréhension actuelle de la nucléation aux interfaces solides-liquides complexes. ou des interfaces eau minérale dans la croûte terrestre où le dépôt de nouveaux minéraux se produit par nucléation hétérogène. »

Wang ajoute que "Nos résultats ont montré que les variations de la chimie de surface native sur une interface uniforme peuvent affecter de manière significative la cinétique de nucléation des nanocristaux. Cette découverte n'est pas seulement importante dans la communauté de la microscopie électronique à transmission pour étudier la cinétique de formation des nanocristaux, mais peut également fournir de nouvelles perspectives pour d'autres processus technologiques impliquant la cristallisation de surface, comme la synthèse de nanomatériaux ou de matériaux énergétiques avancés comme les cellules solaires à pérovskite aux halogénures et les électrodes de batterie. »