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Investigating the Nucleation Kinetics of Calcium Carbonate Using a Zero-Water-Loss Microfluidic Chip
Crystal Growth & Design ( IF 3.2 ) Pub Date : 2020-03-11 , DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00191 Zongwei Zhang 1 , Yuan Gao 1 , Fiona C. Meldrum 2 , Lingling Shui 3 , Zhijun Wang 4 , Shunbo Li 1 , Gang Li 1
Crystal Growth & Design ( IF 3.2 ) Pub Date : 2020-03-11 , DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00191 Zongwei Zhang 1 , Yuan Gao 1 , Fiona C. Meldrum 2 , Lingling Shui 3 , Zhijun Wang 4 , Shunbo Li 1 , Gang Li 1
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Characterization of nucleation processes is essential to the development of strategies to control crystallization in many industrial, atmospheric, biological, and geological environments. An effective route to studying nucleation processes is the use of large numbers of small, identical volumes, where these minimize the effects of impurities that can dominate in bulk solution and allow the stochastic nature of nucleation to be considered. Here, we present a multilayered microfluidic device for nucleation studies that can be used to carry out 10 000 simultaneous reactions in identical microcavities, and 500 of them are used for investigating nucleation kinetics. Unlike droplet-based systems, no surfactants are required, and the presence of an integrated water reservoir prevents water loss, allowing studies to be performed for long durations. This device was used to study the nucleation of calcium carbonate in the presence and absence of magnesium ions. Two distinct nucleation rates of 286 cm–3 s–1 and 12.6 cm–3 s–1 were observed in the absence of magnesium, where the rapid rate likely derives from microcavities containing impurities. The nucleation rate was then significantly reduced in the presence of magnesium ions, and the profile was more complex. This device is therefore an ideal platform for studying slow nucleation processes in surfactant-free environments.
中文翻译：
使用零水损失微流控芯片研究碳酸钙的成核动力学
成核过程的表征对于开发控制许多工业，大气，生物和地质环境中的结晶的策略至关重要。研究成核过程的有效途径是使用大量相同体积的小体积，这些体积最小化了可以在本体溶液中占主导地位的杂质的影响，并考虑了成核的随机性。在这里，我们介绍了一种用于成核研究的多层微流体装置，该装置可用于在相同的微腔中同时进行10000次反应，其中有500个用于研究成核动力学。与基于液滴的系统不同，不需要表面活性剂，并且集成的储水器可以防止水分流失，从而可以进行长时间的研究。在存在和不存在镁离子的情况下，该装置用于研究碳酸钙的成核作用。两种不同的成核速率为286 cm在不存在镁的情况下，观察到了–3 s –1和12.6 cm –3 s –1，其中快速速率可能源自含有杂质的微腔。然后在镁离子存在下成核速率显着降低，并且分布更复杂。因此，该设备是研究无表面活性剂环境中缓慢成核过程的理想平台。
更新日期：2020-04-23
中文翻译：
使用零水损失微流控芯片研究碳酸钙的成核动力学
成核过程的表征对于开发控制许多工业，大气，生物和地质环境中的结晶的策略至关重要。研究成核过程的有效途径是使用大量相同体积的小体积，这些体积最小化了可以在本体溶液中占主导地位的杂质的影响，并考虑了成核的随机性。在这里，我们介绍了一种用于成核研究的多层微流体装置，该装置可用于在相同的微腔中同时进行10000次反应，其中有500个用于研究成核动力学。与基于液滴的系统不同，不需要表面活性剂，并且集成的储水器可以防止水分流失，从而可以进行长时间的研究。在存在和不存在镁离子的情况下，该装置用于研究碳酸钙的成核作用。两种不同的成核速率为286 cm在不存在镁的情况下，观察到了–3 s –1和12.6 cm –3 s –1，其中快速速率可能源自含有杂质的微腔。然后在镁离子存在下成核速率显着降低，并且分布更复杂。因此，该设备是研究无表面活性剂环境中缓慢成核过程的理想平台。
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