Nucleação é a formação de uma nova fase condensada a partir de uma fase fluida via automontagem. Este processo é crítico para muitos sistemas naturais e aplicações técnicas, incluindo a fabricação de produtos farmacêuticos e materiais avançados, a formação de nuvens, formação mineral na crosta terrestre, e a estabilidade das proteínas. Embora os cientistas tenham estudado a nucleação por mais de um século, permanece um processo evasivo porque ocorre esporadicamente no tempo. Além disso, um núcleo pode ser menor que um nanômetro (10 ^-9 m) em tamanho.

Até agora, métodos indiretos e simulações têm sido usados ​​para estudar a nucleação - literalmente, observar o processo de nucleação ocorrer está além do alcance científico. Um desafio é que o processo quase sempre ocorre em uma interface sólido-líquido, tornando a nucleação mais favorável energeticamente. Contudo, a identidade dos locais de nucleação (isto é, sua forma e química) quase nunca é conhecida, o que significa que as regras que ditam onde o processo ocorrerá, e quão rápido, são desconhecidos, tornando difícil prever o resultado, portanto, limitando a capacidade dos cientistas de prever com precisão as transformações minerais na crosta terrestre, Padrões climáticos, e condições ideais para síntese de materiais avançados.

Para esse fim, pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE) da Universidade de Maryland (UMD) publicaram recentemente um estudo no Jornal da American Chemical Society detalhando a descoberta de um novo método de imagem - mapeamento cinético de nucleação em nanoescala - que permite a imagem direta de eventos de nucleação em uma interface sólido-líquido. Através do uso de microscopia eletrônica de transmissão de varredura e uma célula microfluídica ambiental (LC-STEM), o grupo - liderado pelo professor assistente do ChBE, Taylor Woehl - testemunhou a nucleação heterogênea em uma interface de nitreto de silício-água. Mei Wang, um ChBE Ph.D. Aluna, atuou como primeiro autor do estudo. Este estudo representa um dos primeiros casos em que a cinética de nucleação está diretamente ligada à identidade dos sítios de nucleação.

"Por meio da criação de mapas em nanoescala que mostram a cinética de nucleação local - em outras palavras, o quão rápido os núcleos se formam localmente - descobrimos que a nucleação ocorreu preferencialmente em discretos, regiões de tamanho nanométrico da interface, "disse o Dr. Woehl." O aspecto mais intrigante era como a cinética de nucleação não era uniforme em macroscopicamente plana, interface homogênea. Um estudo aprofundado da interface revelou que a distribuição dos grupos químicos de superfície é altamente não uniforme. Juntamente com um modelo teórico, nossos resultados mostraram que a nucleação heterogênea ocorreu preferencialmente nesses domínios de grupos químicos de superfície. "

Em termos gerais, esta pesquisa tem dois resultados:primeiro, revela que a cinética de nucleação pode ser não uniforme em uma interface sólido-líquido que parece ser uniforme na macroescala.

Em segundo lugar, o estudo apresenta uma nova técnica de microscopia eletrônica capaz de seguir nucleação heterogênea em uma interface sólido-líquido com resolução em escala nanométrica.

“Esperamos que nosso estudo tenha implicações importantes em vários campos de pesquisa, "Woehl disse." Esta pesquisa expande os limites de nossa compreensão atual da nucleação em interfaces complexas sólido-líquido - tais interfaces incluem aquelas em partículas de aerossol que causam a formação de nuvens através da nucleação de gotículas de água, ou interfaces de água mineral na crosta terrestre onde a deposição de novos minerais ocorre via nucleação heterogênea. "

Wang acrescenta que "Nossos resultados mostraram que variações na química de superfície nativa em uma interface uniforme podem afetar significativamente a cinética de nucleação de nanocristais. Esta descoberta não é importante apenas na comunidade de microscopia eletrônica de transmissão para estudar a cinética de formação de nanocristais, mas também pode fornecer novos insights para outros processos tecnológicos envolvendo cristalização de superfície, como a síntese de nanomateriais ou materiais de energia avançada, como células solares de perovskita de haleto e eletrodos de bateria. "