1.题目：
4D nanoimaging of early age cement hydration
（
水泥早期水化的4D纳米成像
）
2. 来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38380-1
3.摘要：
尽管经过了一个世纪的研究，我们对早期水泥溶解和沉淀过程的了解非常有限。
这是由于缺乏能够以足够的空间分辨率、对比度和视野对这些过程进行成像的方法。
在这里，我们采用近场层状纳米断层扫描技术，在创纪录的毛细管中原位可视化商业波特兰水泥的水化。在19小时时，厚度为500nm的多孔C-S-H凝胶壳覆盖了包围水隙的每个铝石颗粒。小方方晶粒在加速期的空间溶解速率∼100 nm/h，比减速期方大方晶粒∼25 nm/h快约4倍。蚀刻坑的开发也已经绘制出来。这项工作得到了实验室和同步加速器显微断层扫描的补充，可以测量粒度随时间的变化分布。
4D纳米成像将允许从机制上研究溶出-沉淀过程，包括促进剂和高效减水剂的作用。
4.引言：
波特兰混凝土是世界上最大的预制商品，约200亿吨/年。硅酸盐水泥 （PC） 的巨大产量为 40 亿吨/年，导致 27 亿吨/年的一氧化碳2排放1.
因此，有许多减少水泥CO的尝试2脚印1,2.为了合理地设计降低粘结剂隐含碳含量的方法，保持其性能，了解水泥水化是关键。不幸的是，还有许多悬而未决的问题3关于导致水泥凝固和早期硬化的复杂溶解和沉淀过程4.
PC的水化可分为五个时期3，见图。1b. 第一阶段是初始溶解（第一分钟）;第二阶段是低活动、诱导、周期（一些小时）;第三阶段是加速度（几个小时，直到热流轨迹的最大值）;第四阶段是减速（数十小时）;第五阶段是扩散控制的水合作用（数月至数年）。关于诱导期的机制存在激烈的争论。
然而，现在人们普遍认为，这是由不饱和度控制的溶解5而不是保护膜理论。相反，当水合度仅为 10-20% 并且有足够的水合物生长空间时，在机制中没有达成一致来解释从加速到减速的转变。
最近讨论的最先进的理论6，基于非均相成核和密闭区域内的生长，同时考虑初始粒度分布7，例如，请参阅反应区假说8.还有其他选择9像针模型6其中 PC 中最丰富的成分 alite 水合物10,11产生非化学计量的硅酸钙水合物 （C-S-H） 凝胶12，成核并长成针状。无论是小颗粒的溶解、水的扩散、蚀刻坑的聚结，还是C-S-H凝胶的撞击——单独——目前都不能解释从加速期到减速期的转变3.影响这两个时期（III和IV）C-S-H凝胶生长的因素尚不清楚。此外，蚀刻坑的作用13需要更好地理解，以及溶解（向内）阿莱特晶粒和生长（主要是向外）C-S-H凝胶之间打开的空间间隙的后果14,15.最后，C-S-H凝胶壳的密度演变也是未知的。
一方面，原位实验室16和同步加速器17粉末衍射允许随时间推移相发展。
这些研究产生的体积平均信息遗漏了任何空间特征，如粒径依赖性。
另一方面，电子显微镜（EM）技术具有很高的空间分辨率，可以产生非常有价值的信息，但它们只能提供快照，因为实验条件与相关条件下的水合不相容。
原位断层扫描18,19有助于填补这一空白。在水泥中，建模20和微观结构表征方法21承认 X 射线显微断层扫描 （μCT） 在其不同模式中日益增长的重要性22.此外，μCT正在被广泛使用23特别是要遵循原位 4D（3D + 时间）水泥水化的一些特定特征24、25、26、27、28、29、30、31、32、33 元.在过去三年中，已经报告了重要的进展，包括：i）在很小的时候自动校正悬浮颗粒的运动34允许在水混合后进行原位PC水合35;ii）跟随石膏的快速溶解和石膏的沉淀36;iii） 同时使用中子和实验室X射线断层扫描进行原位研究PC砂浆在适度加热下的微观结构变化37;iv） 使用快速同步加速器纳米 X 射线计算机断层扫描测量 alite 颗粒溶解38,39.然而，这些 4D 成像工作都没有结合对早期理解波特兰水泥水化机制做出相关贡献所需的严格四项要求：（i） 水与水泥质量比 （w/c） 接近 0.50，（ii） 亚微米空间分辨率，（iii） 良好的对比度，能够识别不同的演变成分（超过八个）， （iv）相对较大的扫描体积，以便通过适当的颗粒取样进行水合，商用PC的粒径为Dv，50∈10-20微米。特别是，硬X射线同步加速器显微断层扫描既不具备所需的亚微米级空间分辨率，也不具有足够的分量对比度35,40，硬X射线同步加速器纳米断层扫描没有所需的组分对比度，无法对水合物进行分类38,39软X射线同步加速器纳米断层扫描具有对比度，但它需要非常大的w/c比和非常小的视场，这不允许水合物在相关条件下生长（即水灰比低的密闭空间）32.
到目前为止，
胸膜X射线计算机断层扫描（PXCT）41，它融合了扫描X射线显微镜和相干衍射成像42,43,44，满足前三个要求。
因此，它
被应用于直径约为 40 μm 的毛细管内的几种粘合剂45,46使用 6.2 keV 的光子能量。
第二项研究46提供了有关 C-S-H 凝胶水合 5 个月的宝贵信息：平均化学计量 （CaO）1.80（SiO2）（H2O)3.96质量密度为 2.11 gcm−3电子密度为 0.64 eÅ-−3.此外，它允许用 2.52 gcm 量化 6.4 vol% 的第二种无定形组分铁硅酸水石榴石−3和 0.76 eÅ-−3.在这里，我们在近场配置中使用了 PXCT44,47在创纪录的 ∼160 μm 毛细管中获取数据，采用更高的光子能量 8.93 keV。这种配置，以及允许重建的迭代算法44，现在同时满足四项严格要求，当前数据收集时间为 3-4 小时，允许在水泥水化的前四天对空间分辨数据进行 4D 测量。
一方面，相对缓慢的整体采集时间是这项工作的主要局限性，但预计会有所改善，见上一节。另一方面，层状纳米层析成像具有出色的空间分辨率和对比度，给出了溶出-沉淀过程中相关参数的定量值，如水铝石空间溶出速率和蚀刻坑生长速率。这些值有助于测试上述模型。
6.研究结论：
（1）
ptychographic X射线计算机断层成像技术（PXCT）能以突破性的空间分辨率表征水泥水化过程，其空间分辨率可通过增加投影数量提高，而无需更长的采集时间。
