El carbonato de calcio se encuentra en casi todas partes, en cemento de acera, pintura para pared, tabletas antiácidas y subterráneas. Los ingenieros de la Universidad de Washington en St. Louis han utilizado un conjunto único de técnicas de imágenes de vanguardia para descubrir cómo se nuclean las nanopartículas de carbonato de calcio, lo cual es importante para aquellos que fabrican los nanomateriales de carbonato y controlan la carbonatación del metal durante el secuestro de CO2.

Young-Shin Jun, profesor de energía, Ingeniería ambiental y química en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y Quingun Li, una ex estudiante de doctorado en su laboratorio, son los primeros en medir la energía de activación y los factores cinéticos de la nucleación del carbonato de calcio, ambos clave para predecir y controlar el proceso. La nucleación es el paso inicial para formar una fase sólida en un sistema fluido, como los cristales de azúcar que se forman en una cuerda para hacer un caramelo de roca. Los resultados de la investigación se publican en Química de las comunicaciones 19 de septiembre.

Jun, experto en nucleación de sólidos, y su equipo exploraron formas de controlar la velocidad y la ubicación de la nucleación, así como la forma de los sólidos emergentes.

"Nuestra prueba de sensibilidad muestra qué condiciones de síntesis aceleran la nucleación de manera más efectiva, ", dijo." ¿Deberíamos cambiar la fuerza impulsora aumentando la concentración de ciertos iones, ¿O deberíamos cambiar las propiedades superficiales del material o la temperatura del sistema? Ahora podemos predecir este resultado ".

Previamente, cuando los científicos describieron la nucleación, describieron el número de eventos que ocurren en un metro cúbico o cuadrado cada minuto o cada hora, pero eso no dio una imagen completa de la química, Jun explicó. Con la nueva información, Jun y su equipo pueden decir definitivamente cuán concentradas están las nanopartículas de carbonato de calcio en un espacio dado durante un período de tiempo determinado, lo que les permite controlar la nucleación. Hasta ahora, Estos factores termodinámicos y cinéticos han permanecido desconocidos porque las observaciones en tiempo real son difíciles de realizar en partículas tan pequeñas:el primer tamaño de las partículas de carbonato de calcio que se forman en el cuarzo es de aproximadamente 8 nanómetros, o 8 mil millonésimas de metro, en diámetro. La investigación previa en esta área se ha realizado principalmente con modelado molecular, lo cual ha sido inadecuado para revelar los factores cinéticos de nucleación.

En experimentos en el Laboratorio Nacional Argonne, El grupo de Jun utilizó dispersión de rayos X de ángulo pequeño para el sondeo in situ de las nanopartículas. En su laboratorio de la Universidad de Washington, utilizaron microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes ex situ de carbonato de calcio nucleado en cuarzo.

"El conocimiento de la nucleación nos permite crear nanomateriales y nos permite controlar las propiedades de las nanopartículas y la funcionalización de la superficie de los materiales, ayudando a la nanofabricación sostenible, "Dijo Jun." Descifrar la nucleación también ayuda a diseñar procesos de ingeniería a mayor escala donde la nucleación cambia las propiedades macroscópicas de los materiales. Cada material comienza con la nucleación, por lo que este proceso puede ser aplicable a cualquier cosa. Ahora entendemos mejor el 'comienzo' ".