用纳米分辨率映射成核动力学

成核是通过自组装从流体相形成新的凝聚相。这个过程对许多自然系统和技术应用至关重要，包括制药和先进材料，云的形成，地壳中的矿物形成以及蛋白质的稳定性。虽然科学家已经研究了一个多世纪的成核，但它仍然是一个难以捉摸的过程，因为它偶尔会偶尔发生。此外，核的尺寸可小于纳米(10 -9 m)。

到目前为止，已经使用间接方法和模拟来研究成核 - 从字面上观察成核过程发生已超出科学范围。一个挑战是该过程几乎总是在固 - 液界面处发生，使得成核在能量上更有利。然而，成核位点的特性(即它们的形状和化学性质)几乎从未被人知道 - 这意味着规则指示过程将发生的位置，以及有多快，未知 - 使得难以预测结果，因此限制了科学家能够准确预测地壳中的矿物质转化，天气模式以及合成先进材料的最佳条件。

为此，马里兰大学(UMD)化学与生物分子工程系(ChBE)的研究人员最近在美国化学学会杂志上发表了一项研究，详细介绍了一种新的成像方法 - 纳米级成核动力学映射的发现 -允许在固 - 液界面处直接成像成核事件。通过使用扫描透射电子显微镜和环境微流体细胞(LC-STEM)，由ChBE助理教授Taylor Woehl领导的小组见证了在氮化硅 - 水界面处的异相成核。Mei Wang，ChBE博士 学生，作为该研究的第一作者。该研究代表了成核动力学与成核位点的特性直接相关的第一个案例之一。

“通过创建显示局部成核动力学的纳米尺度图 - 换句话说，原子核在局部形成的速度有多快 - 我们发现成核优先发生在界面的离散纳米尺寸区域，”Woehl博士说。“最有趣的方面是成核动力学在宏观平坦，均匀的界面上的不均匀性。对界面的深入研究表明，表面化学基团的分布是高度不均匀的。与理论模型一起，我们的研究结果表明异相成核优先发生在表面化学基团的这些区域上。“

从广义上讲，这项研究有两个结果：首先，它揭示了成核动力学在固 - 液界面处可能是不均匀的，在宏观尺度上似乎是均匀的。

其次，该研究引入了一种新的电子显微镜技术，能够在具有纳米级分辨率的固液界面上进行异相成核。

“我们希望我们的研究将在几个研究领域产生重要影响，”Woehl说。“这项研究推动了我们目前对复杂固液界面成核理解的界限 - 这些界面包括通过水滴成核导致云形成的气溶胶粒子，或地壳中矿物 - 水界面沉积新矿物的界面通过异相成核发生。“

Wang补充说：“我们的结果表明，均匀界面上的天然表面化学变化可以显着影响纳米晶体的成核动力学。这一发现不仅在透射电子显微镜领域对研究纳米晶体的形成动力学很重要，而且还可以提供新的对涉及表面结晶的其他工艺过程的见解，如纳米材料的合成或高级能源材料，如卤化钙钛矿太阳能电池和电池电极。“

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