Nukleation ist ein physikalischer Prozess, bei dem eine Zustandsänderung – zum Beispiel von flüssig zu fest – in einer Substanz um bestimmte Brennpunkte, die als Kerne bekannt sind, auftritt. Häufige Beispiele sind die Kondensation von Wasserdampf zu Tröpfchen in der Atmosphäre, die Bildung von Eiskristallen beim Gefrieren von Wasser und das Auftreten von Gasblasen in einer Flüssigkeit. Heterogene Keimbildung tritt in Fällen auf, in denen bereits vorhandene Keime vorhanden sind, wie z. B. winzige Staubpartikel, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert sind. Homogene Nukleation tritt dort auf, wo keine derartigen Verunreinigungen vorhanden sind, und wird viel seltener beobachtet. Diese physikalische Reaktion ist die Grundlage für eine Vielzahl von Herstellungsprozessen und interessanten Naturphänomenen.
Sobald die Keimbildung beginnt, zeigt sie oft eine exponentielle Wachstumskurve. Sobald sich beispielsweise Kristalle in einer Lösung zu bilden beginnen, vergrößert sich ihre Oberfläche mit zunehmendem Wachstum, zieht mehr Moleküle an und fördert das Wachstum mit einer immer höheren Geschwindigkeit, bis sich die Lösung stabilisiert und sich keine Kristalle mehr bilden können. Dies erklärt, warum es im Winter eine Weile dauert, bis ein Fluss zufriert, aber sobald sich das Eis im Flusskörper bildet, bedeckt es den Fluss normalerweise sehr schnell.
Heterogene Nukleation
Wasser gefriert normalerweise bei 32°F (0°C). Dies liegt daran, dass es zahlreiche winzige feste Staubpartikel und organische Stoffe enthält, um die herum einfrieren kann – sie können als „Samen“ betrachtet werden, die den Prozess starten. Extrem reines Wasser, das diese Partikel nicht enthält, gefriert tatsächlich bei -43.6 °C. Wenn reines Wasser auf eine Temperatur unter dem normalen Gefrierpunkt, aber über seinem reinen Gefrierpunkt abgekühlt wird, bleibt es flüssig und wird als unterkühlt bezeichnet. Das Wasser kann dann durch Zugabe eines einzelnen kleinen Eiskristalls, der als Kern fungiert, sehr schnell zum Gefrieren gebracht werden.
Ein ähnliches Phänomen lässt sich mit einer übersättigten Natriumacetatlösung demonstrieren. In heißem Wasser löst sich mehr von der Verbindung als in kaltem, aber eine übersättigte Lösung kann hergestellt werden, indem man sie in sehr heißes Wasser gibt, bis sich keine mehr auflöst, und dann ungestört abkühlen lässt. Wenn das Wasser kalt ist, hat es mehr Natriumacetat in Lösung, als durch einfaches Hinzufügen zu kaltem Wasser gelöst werden könnte. Dies ist eine übersättigte Lösung. Wenn nun ein einzelnes Korn der Verbindung zugegeben wird, bilden sich durch Keimbildung schnell Kristalle und verteilen sich in der Flüssigkeit, so dass sie zu gefrieren scheint.
Ein weiteres unterhaltsames Beispiel, diesmal mit der Freisetzung von gelöstem Gas, ist die bekannte Sprengvorführung mit beliebten Pfefferminz- und Limonadenmarken. Die Oberfläche der Minze ist mit Zucker überzogen, der viele winzige Keimzentren bildet. Das kohlensäurehaltige Getränk enthält viel gelöstes Kohlendioxid, das bei Kontakt mit der Minze zu Gas wird, große Mengen von Blasen bildet und einen Druck erzeugt, der die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit aus dem Behälter drückt und eine Fontäne oder einen „Geysir“ bildet.
Die Wolkenbildung in der Atmosphäre ist ein Beispiel dafür, wie ein Gas durch Nukleation zu einer Flüssigkeit kondensiert. Ohne Staubpartikel in der Luft, den sogenannten Kondensationskernen, wäre es viel schwieriger, sich Wolken zu bilden. Es wird angenommen, dass Rauch, Ruß und andere Partikel, die durch menschliche Aktivitäten erzeugt werden, auf diese Weise wirken und die Wolkenbedeckung in verschmutzten Gebieten erhöhen können. In einigen Fällen werden absichtlich winzige Kristalle in die Atmosphäre abgegeben, um als Kondensationskeime zu wirken und in sehr trockenen Gebieten die Wolkenbildung zu fördern; diese Praxis ist als „Cloud Seeding“ bekannt.
Homogene Nukleation
Dies geschieht spontan in einer Substanz, die keine Verunreinigungen enthält, die als vorbestehende Kerne wirken können, und daher völlig einheitlich ist. Dies geschieht normalerweise als Reaktion auf eine Temperatur- oder Druckänderung. Damit der Prozess ablaufen kann, müssen bei geeigneten Bedingungen durch zufällige Schwankungen neue Kerne aus der Substanz selbst gebildet werden. Ein Beispiel ist das Einfrieren von absolut reinem Wasser bei -43.6 °C.
Ein anderer ist die Bildung von Eiskristallen in Wolken oder gefrorenem Nebel am Boden. In der Luft schwebende Wassertröpfchen können ohne Eisbildung bis weit unter den Gefrierpunkt abgekühlt werden; Aus diesem Grund bestehen Wolken, auch wenn die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt, normalerweise aus Tröpfchen von unterkühltem Wasser. Eisnebel entsteht aus Wassertröpfchen, die bei Kontakt mit einer Oberfläche sofort gefrieren; Erst bei extrem niedrigen Temperaturen bildet sich gefrorener Nebel, bestehend aus Eiskristallen.
Applikationen
Nukleation beeinflusst und wird in vielen Herstellungsprozessen verwendet. Es wird beispielsweise bei der Herstellung von Katalysatoren für die chemische Industrie eingesetzt und viele Katalysatoren erreichen ihre Wirkung durch dieses Verfahren. Es wird auch bei der Herstellung von Halbleitern für die Elektronikindustrie verwendet. In Süßwaren ist die Herstellung von Kandiszucker ein Beispiel für die Keimbildung, die die Bildung großer Kristalle aus einer übersättigten Zuckerlösung ermöglicht.