La nucleación es la formación de una nueva fase condensada a partir de una fase fluida mediante el autoensamblaje. Este proceso es fundamental para muchos sistemas naturales y aplicaciones técnicas, incluida la fabricación de productos farmacéuticos y materiales avanzados, la formación de nubes, formación de minerales en la corteza terrestre, y la estabilidad de las proteínas. Si bien los científicos han estudiado la nucleación durante más de un siglo, sigue siendo un proceso esquivo porque ocurre esporádicamente en el tiempo. Es más, un núcleo puede tener menos de un nanómetro (10 ^-9 m) de tamaño.

Hasta ahora, Se han utilizado métodos indirectos y simulaciones para estudiar la nucleación; literalmente, observar cómo ocurre el proceso de nucleación ha estado más allá del alcance científico. Un desafío es que el proceso casi siempre ocurre en una interfaz sólido-líquido, haciendo la nucleación más favorable energéticamente. Sin embargo, la identidad de los sitios de nucleación (es decir, su forma y química) casi nunca se conoce, es decir, las reglas que dictan dónde ocurrirá el proceso, y que tan rápido, son desconocidos, lo que dificulta predecir el resultado, por lo tanto, limitar la capacidad de los científicos para predecir con precisión las transformaciones minerales en la corteza terrestre, patrones meteorológicos, y condiciones óptimas para la síntesis de materiales avanzados.

Con ese fin, Investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de la Universidad de Maryland (UMD) han publicado recientemente un estudio en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense detallando el descubrimiento de un nuevo método de generación de imágenes, mapeo cinético de nucleación a nanoescala, que permite imágenes directas de eventos de nucleación en una interfaz sólido-líquido. Mediante el uso de microscopía electrónica de transmisión de barrido y una celda de microfluidos ambientales (LC-STEM), el grupo, dirigido por el profesor asistente de ChBE, Taylor Woehl, fue testigo de una nucleación heterogénea en una interfaz de nitruro de silicio-agua. Mei Wang, un Ph.D. de ChBE Estudiante, sirvió como primer autor del estudio. Este estudio representa uno de los primeros casos en los que la cinética de nucleación se ha relacionado directamente con la identidad de los sitios de nucleación.

"Mediante la creación de mapas a nanoescala que muestran la cinética de nucleación local, en otras palabras, qué tan rápido se forman los núcleos localmente:descubrimos que la nucleación se producía preferentemente en regiones de tamaño nanométrico de la interfaz, ", dijo el Dr. Woehl." El aspecto más intrigante fue lo poco uniforme que era la cinética de nucleación en el macroscópicamente plano, interfaz homogénea. Un estudio en profundidad de la interfaz reveló que la distribución de los grupos químicos de la superficie era muy no uniforme. Junto con un modelo teórico, nuestros resultados mostraron que la nucleación heterogénea se produjo preferentemente en estos dominios de grupos químicos de superficie ".

En general, esta investigación tiene dos resultados:primero, revela que la cinética de nucleación puede no ser uniforme en una interfaz sólido-líquido que parece ser uniforme en la macroescala.

En segundo lugar, el estudio introduce una nueva técnica de microscopía electrónica capaz de seguir la nucleación heterogénea en una interfaz sólido-líquido con resolución de escala nanométrica.

"Esperamos que nuestro estudio tenga implicaciones importantes en varios campos de investigación, "Woehl dijo." Esta investigación amplía los límites de nuestra comprensión actual de la nucleación en interfaces complejas sólido-líquido; tales interfaces incluyen aquellas en partículas de aerosol que causan la formación de nubes a través de la nucleación de gotas de agua, o interfaces de agua mineral en la corteza terrestre donde se produce la deposición de nuevos minerales mediante nucleación heterogénea ".

Wang agrega que "Nuestros resultados mostraron que las variaciones en la química de la superficie nativa en una interfaz uniforme pueden afectar significativamente la cinética de nucleación de los nanocristales. Este hallazgo no solo es importante en la comunidad de microscopía electrónica de transmisión para estudiar la cinética de formación de nanocristales, pero también puede proporcionar nuevos conocimientos para otros procesos tecnológicos que involucran la cristalización superficial, como la síntesis de nanomateriales o materiales energéticos avanzados como células solares de perovskita de haluro y electrodos de batería ".