Lorsqu'une solution s'évapore, les produits chimiques dissous se concentrent jusqu'à ce qu'ils commencent à former un cristal par un processus appelé nucléation. Industries qui utilisent de petits cristaux dans les produits pharmaceutiques, l'alimentation et la microélectronique cherchent à comprendre cet événement de nucléation. Les scientifiques qui étudient la nucléation utilisent souvent des gouttelettes microscopiques comme expériences miniatures qui peuvent fonctionner rapidement, en parallèle, et dans un petit espace. Cependant, ces expériences nécessitent des images à haute résolution, limiter le nombre d'images de gouttelettes pouvant être traitées simultanément.

Les chercheurs ont récemment surmonté ce défi de résolution en concentrant leurs mesures sur le contraste entre les gouttelettes et leur milieu environnant. Cette technique, publié cette semaine dans Avances AIP , fournit la méthode la plus précise et la plus efficace pour détecter la nucléation des cristaux à ce jour.

La nucléation cristalline est un processus intrinsèquement stochastique, et l'estimation de chaque temps de nucléation nécessite des modèles de croissance qui fonctionnent en arrière à partir du moment où le cristal a grandi jusqu'à une taille détectable. Cet écart temporel peut aller de plusieurs minutes à plusieurs heures.

"C'est comme dire quand quelqu'un tombe enceinte une fois que le bébé est dehors, " a déclaré Romain Grossier, auteur de l'article au Centre National de la Recherche Scientifique et Aix-Marseille Université. "Nous détectons le moment de la grossesse."

Pour déterminer le temps qu'il faut à un cristal pour nucléer dans une microgouttelette, l'équipe a généré une grille de microgouttelettes d'eau salée identiques recouvertes d'une fine couche d'huile. L'eau est légèrement soluble dans l'huile à ces ratios, alors l'eau commença à se répandre dans son environnement, imitant le processus d'évaporation.

Les chercheurs ont converti l'image de chaque gouttelette et de sa région environnante en un scalaire, l'écart type de la grisaille des pixels, et suivi cette valeur au fur et à mesure qu'elle changeait. Lorsque le cristal se forme enfin, sa présence entrave la bonne évolution de l'indice de réfraction, qui apparaît comme un saut soudain dans le niveau de gris. Cela permet aux scientifiques de mesurer avec précision le temps jusqu'à la nucléation sans résoudre le cristal ni faire d'hypothèses sur les mécanismes de nucléation. De façon intéressante, des concentrations élevées de sel dans les microgouttelettes provoquent une croissance explosive, réduire le délai entre la nucléation et la détection à 0,5 seconde ou moins.

Chaque goutte disparaît également pendant une courte période lorsque son indice de réfraction coïncide avec le milieu environnant. Cela se produit toujours à la même concentration pour un système donné, et peut être calculé à l'avance. Les chercheurs souhaitent développer un modèle de concentration entre le moment où la gouttelette disparaît et le temps de nucléation qui pourrait leur permettre de résoudre les théories concurrentes sur la nucléation des cristaux à l'avenir.

L'équipe a été surprise de découvrir que les microgouttelettes n'étaient pas toujours indépendantes les unes des autres, comme on l'avait supposé auparavant. Parfois, la nucléation d'une microgouttelette a retardé la nucléation de ses voisines parce que l'augmentation du débit d'eau de la première gouttelette a temporairement dilué les autres. L'équipe prévoit d'augmenter l'indépendance des microgouttelettes dans les expériences futures.