碳酸鈣幾乎遍布各處，人行道水泥，墻面涂料，抗酸藥片和地下深處。圣路易斯華盛頓大學(xué)的工程師使用一套獨(dú)特的先進(jìn)成像技術(shù)來發(fā)現(xiàn)碳酸鈣納米粒子如何成核，這對于制造碳酸鹽納米材料和控制二氧化碳封存過程中的金屬碳化非常重要。

Young-Shin Jun，工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院能源，環(huán)境與化學(xué)工程教授，以及她實(shí)驗(yàn)室的前博士生Quingun Li，是第一個(gè)測量碳酸鈣成核活化能和動(dòng)力學(xué)因素的人，兩者都是預(yù)測和控制過程的關(guān)鍵。成核是在流體系統(tǒng)中形成固相的初始步驟，例如在繩上形成糖晶體以制造冰糖。

“我們的靈敏度測試表明哪種合成條件可以更有效地加速成核，”她說。“我們應(yīng)該通過增加某些離子的濃度來改變驅(qū)動(dòng)力，還是應(yīng)該改變材料的表面特性或系統(tǒng)的溫度?現(xiàn)在我們可以預(yù)測這種結(jié)果。”

Jun先生解釋說，以前，當(dāng)科學(xué)家描述成核時(shí)，他們描述了每分鐘或每小時(shí)發(fā)生在立方米或平方米中的事件數(shù)量，但這并沒有給出完整的化學(xué)圖像。根據(jù)這些新信息，Jun和她的團(tuán)隊(duì)可以明確地說明在給定時(shí)間內(nèi)碳酸鈣納米粒子在給定空間中的濃度有多大，這使得它們能夠控制成核。到目前為止，這些熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素仍然未知，因?yàn)閷θ绱诵〉念w粒難以進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察：在石英上形成的碳酸鈣顆粒的第一尺寸大約是8納米，或者是十億分之一米，直徑。以前在該領(lǐng)域的研究主要是通過分子建模進(jìn)行的，

在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，Jun的小組使用小角度X射線散射進(jìn)行納米粒子的原位探測。在華盛頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，他們使用原子力顯微鏡對碳酸鈣在石英上成核的非原位成像。

“了解成核使我們能夠創(chuàng)造納米材料，并使我們能夠控制納米粒子的性質(zhì)和材料的表面功能化，從而有助于可持續(xù)的納米制造，”Jun說。“解密成核也有助于設(shè)計(jì)更大規(guī)模的工程過程，其中成核會改變材料的宏觀特性。每一種材料都從成核開始，因此這個(gè)過程可以適用于任何事物。我們現(xiàn)在更好地理解'開始'。”