La nucleazione è un processo fisico in cui si verifica un cambiamento di stato, ad esempio da liquido a solido, in una sostanza attorno a determinati punti focali, noti come nuclei. Esempi comuni sono la condensazione del vapore acqueo in goccioline nell’atmosfera, la formazione di cristalli di ghiaccio quando l’acqua si congela e la comparsa di bolle di gas in un liquido. La nucleazione eterogenea avviene nei casi in cui sono presenti nuclei preesistenti, come minuscole particelle di polvere sospese in un liquido o in un gas. La nucleazione omogenea si verifica dove non sono presenti tali contaminanti ed è molto meno frequente. Questa reazione fisica è alla base di una varietà di processi di fabbricazione e di interessanti fenomeni naturali.
Spesso, una volta che la nucleazione inizia a verificarsi, mostra una curva di crescita esponenziale. Ad esempio, una volta che i cristalli iniziano a formarsi in una soluzione, la loro superficie aumenta man mano che crescono, attirando più molecole e promuovendo la crescita a un ritmo sempre crescente, fino a quando la soluzione si stabilizza e non possono più formarsi cristalli. Questo spiega perché ci vuole tempo perché un fiume si congeli in inverno, ma una volta che il ghiaccio inizia a formarsi nel corpo del fiume, di solito copre il fiume molto rapidamente.
Nucleazione eterogenea
L’acqua normalmente si congela a 32°F (0°C). Questo perché contiene numerose minuscole particelle solide di polvere e materia organica attorno alle quali può verificarsi il congelamento: possono essere pensate come “semi” che avviano il processo. L’acqua estremamente pura, che non contiene queste particelle, in realtà congela a -43.6°F (-42°C). Se l’acqua pura viene raffreddata a una temperatura inferiore al normale punto di congelamento, ma al di sopra del suo punto di congelamento puro, rimane liquida e si dice che sia superraffreddata. L’acqua può quindi essere indotta a congelare molto rapidamente aggiungendo un singolo piccolo cristallo di ghiaccio, che funge da nucleo.
Un fenomeno simile può essere dimostrato utilizzando una soluzione sovrasatura di acetato di sodio. Più del composto si dissolverà in acqua calda che in acqua fredda, ma è possibile ottenere una soluzione sovrasatura aggiungendola ad acqua molto calda fino a quando non si dissolverà più, quindi lasciandola raffreddare indisturbata. Quando l’acqua è fredda, avrà più acetato di sodio in soluzione di quanto si sarebbe potuto sciogliere semplicemente aggiungendolo all’acqua fredda. Questa è una soluzione supersatura. Se ora viene aggiunto un singolo granello del composto, i cristalli si formeranno rapidamente attraverso la nucleazione e si diffonderanno in tutto il liquido, in modo che sembri congelare.
Un altro esempio divertente, questa volta che coinvolge il rilascio di gas disciolto, è la famosa dimostrazione di esplosivo che utilizza marche popolari di mentine e bevande gassate. La superficie della menta è ricoperta di zucchero, che forma tanti piccoli centri di nucleazione. La bevanda gassata contiene molta anidride carbonica disciolta, che diventa gas a contatto con la menta, formando grandi quantità di bolle e creando una pressione che spinge il liquido fuori dal contenitore ad alta velocità, formando una fontana o “geyser”.
La formazione di nubi nell’atmosfera è un esempio di un gas che si condensa in un liquido attraverso la nucleazione. Sarebbe molto più difficile che le nuvole si formassero senza la presenza di particelle di polvere nell’aria, note come nuclei di condensazione. Si pensa che fumo, fuliggine e altre particelle prodotte dalle attività umane possano agire in questo modo, aumentando la copertura nuvolosa nelle aree inquinate. In alcuni casi, minuscoli cristalli vengono deliberatamente rilasciati nell’atmosfera per fungere da nuclei di condensazione e favorire la formazione di nubi in aree molto secche; questa pratica è nota come “semina delle nuvole”.
Nucleazione omogenea
Ciò avviene spontaneamente in una sostanza che non contiene impurità che possono fungere da nuclei preesistenti, ed è quindi completamente uniforme. Di solito accade in risposta a un cambiamento di temperatura o pressione. Affinché il processo avvenga, devono essere creati nuovi nuclei dalla sostanza stessa, attraverso fluttuazioni casuali una volta che le condizioni sono adatte. Un esempio è il congelamento di acqua assolutamente pura a -43.6°F (-42°C).
Un altro è la formazione di cristalli di ghiaccio nelle nuvole o nebbia ghiacciata a livello del suolo. Le gocce d’acqua sospese nell’aria possono essere raffreddate ben al di sotto del punto di congelamento senza formare ghiaccio; per questo motivo le nuvole, anche quando la temperatura dell’aria è sotto lo zero, sono generalmente costituite da goccioline di acqua superraffreddata. La nebbia gelata è formata da goccioline d’acqua che si congelano istantaneamente quando entrano in contatto con una superficie; la nebbia ghiacciata, costituita da cristalli di ghiaccio, si forma solo a temperature estremamente basse.
Applicazioni
La nucleazione influenza e viene utilizzata in molti processi di produzione. Ad esempio, è impiegato nella produzione di catalizzatori per l’industria chimica e molti catalizzatori ottengono i loro effetti attraverso questo processo. Viene anche utilizzato nella produzione di semiconduttori per l’industria elettronica. In pasticceria, la produzione di zucchero candito è un esempio di nucleazione che consente la formazione di grandi cristalli da una soluzione zuccherina sovrasatura.