Los científicos han observado y cuantificado con precisión los parámetros que describen la dinámica de nucleación de los cristales de sal en las gotas que se evaporan producidas mediante un dispositivo de microfluidos.
Evaporación de gotitas hasta la nucleación. S designa el grado (La palabra grado tiene varios significados, se usa notablemente en los campos…) de saturación (sobresaturación si S>1), definida como la concentración de sal en la gota dividida por la concentración saturada, es decir, la máxima concentración de sal que se puede disolver en agua. Una situación (En geografía, la situación es un concepto espacial que permite la localización relativa de a…) con S>1 no es termodinámicamente estable y debe dar lugar a un cristal (Cristal es un término habitual para designar un sólido con formas regulares , aunque…) coexistiendo con la solución, después de un evento de nucleación.
© Cedeno et al.
La nucleación es el proceso elemental correspondiente a la aparición de los primeros cristales nanométricos dentro de una solución cuando la concentración de especies disueltas es demasiado alta y estas precipitan. Comprender este fenómeno es esencial para aplicaciones como la preparación de fármacos, el almacenamiento de energía, la biomineralización y la modelización climática. .
Sin embargo, los mecanismos de nucleación aún no se comprenden completamente hasta la fecha, en particular debido a la complejidad (Complejidad es una noción utilizada en filosofía, epistemología (por…) inherente al fenómeno: la fase sólida emergente debe ordenarse geométricamente en largo alcance desde un yacimiento desordenado sujeto a fluctuaciones térmicas, un escenario tanto más delicado cuanto que varias estructuras cristalinas pueden encontrarse en competencia.
Así, los datos de las simulaciones numéricas de la cinética de nucleación a veces difieren en varios órdenes de magnitud de los de los experimentos, cuando no se contradicen completamente entre sí… Incluso si estas diferencias se deben principalmente a la falta de datos y/o imprecisiones en tiempos de nucleación, también muestran que nuestra comprensión de este fenómeno, que es por naturaleza estocástico, es incompleta.
En un trabajo reciente, científicos de una colaboración internacional que involucra al Centro Interdisciplinario de Nanociencia de Marsella (CINaM, Universidad de Aix-Marseille (Una universidad es una institución de educación superior cuyo objetivo es el…) / CNRS) y el Centro de Física Teórica ( La física teórica es la rama de la física que estudia el aspecto…) (CPT, Universidad de Aix-Marseille / CNRS / Universidad de Toulon) utilizó una configuración microfluídica (La microfluídica es la ciencia y la tecnología de los sistemas que manejan fluidos e incluyen… .) a base de gotas saturadas de NaCl (sal de cocina (Cocinar es el conjunto de técnicas para preparar alimentos con miras a su…) ordinario), para crear cientos de microgotas de diámetro (En un círculo o una esfera, el diámetro es un segmento de línea que pasa por el centro…) de 10 a 25 µm separados entre sí y que tienen la misma composición.
Al observar su evaporación controlada bajo un microscopio en tiempo real, observaron muy rápidamente la aparición de cristales de NaCl: la concentración de sal aumenta naturalmente en las gotas debido a la evaporación de las moléculas de agua solas, y la solución inicialmente saturada, la solución «patea el exceso de sal formando un cristal sólido que continúa creciendo a medida que continúa la evaporación. Al medir sistemáticamente el tiempo de nucleación de los cristales dentro de cada una de las gotas, los investigadores tienen acceso a una descripción precisa de las características estadísticas de la nucleación, y estos datos experimentales de referencia se comparan con simulaciones.
La precisión de estos experimentos permite destacar un interesante efecto de competencia entre el mecanismo de nucleación heterogénea, es decir, la nucleación cristalina acelerada por la presencia de la pared sólida sobre la que se depositan las gotas, y los efectos de confinamiento: cuando las gotas se vuelven más finas, heterogéneas se favorece la nucleación, porque aumenta la proporción de moléculas en contacto con la superficie sólida, mientras que el confinamiento inhibirá por el contrario la nucleación. Estos resultados se publican en Journal of Chemical Physics.
Referencias
Energía interfacial efectiva de CNT y factor cinético preexponencial de las distribuciones de tiempo de nucleación de cristales de NaCl medidas en microgotas que se contraen,
Ruel Cedeno, Romain Grossier, Nadine Candoni, Nicolas Levernier, Adrian Flood, Stéphane Veesler, Journal of Chemical Physics, publicado el 16/05/2023.
Doi: 10.1063/5.0143704
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