Unterkühlung ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit oder ein Gas über seine Gefriertemperatur abgekühlt wird, ohne zu einem Feststoff zu kristallisieren. Unter normalen Gefrierbedingungen würden solche Substanzen um einen Impfkeim herum zu Kristallen gefrieren, ein Prozess, der als heterogene Keimbildung bekannt ist. Wenn kein Impfkristall oder kein Keim vorhanden ist, kann die Substanz bis zur homogenen Keimbildung flüssig bleiben, die bei einer viel niedrigeren Temperatur auftritt.
Reines Wasser gefriert bei 32 °C (0°F), kann aber auf -43.6°F (-42°C) unterkühlt werden. Es muss destilliert werden, damit eine Unterkühlung stattfindet, da das Vorhandensein von Verunreinigungen Keimbildungspunkte erzeugen und die Bildung von Eiskristallen ermöglichen würde. Unterkühltes Wasser verwandelt sich sehr schnell in Eis oder Matsch, wenn es auf eine Substanz trifft, auf der es Kristalle bilden kann. Es ist auch möglich, Wasser über den Punkt der homogenen Keimbildung hinaus zu unterkühlen, wobei es in diesem Fall schließlich zu einer Art Glas erstarrt.
Viele verschiedene Arten von Substanzen und Lösungen können unterkühlt werden, was das Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich macht. Beispielsweise werden unterkühlte Metalllegierungen bei der Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen verwendet. Sofortige Handwärmer, ein beliebtes Handelsprodukt, erzeugen Wärme aus der schnellen Kristallisation einer unterkühlten Natriumacetatlösung.
Die in Handwärmern verwendete übersättigte Natriumacetatlösung wird durch Erhitzen von Wasser erzeugt, so dass mehr Natriumacetat als üblich gelöst werden kann. Diese Mischung wird dann auf Raumtemperatur unterkühlt und bleibt flüssig, wenn sie normalerweise kristallisieren würde. Wenn der Handwärmer gedrückt wird, senkt die Störung die Energiebarriere für die Kristallisation und es wird Wärme freigesetzt, während sich Kristalle bilden.
Unterkühlung ist in der Natur weit verbreitet. Es kann Wasser unter Gletschern passieren, was zu Veränderungen des Sedimenttransports und der Gletscherdynamik führt. Unterkühlte Wassertröpfchen bilden sich oft in Höhenwolken und kristallisieren beim Auftreffen auf einen festen Gegenstand zu Eis. Dieses Phänomen ist für die Eisbildung an Flugzeugflügeln verantwortlich.
Auch viele lebende Organismen nutzen diesen Prozess. Baum- und Insektenarten, die in kalten Klimazonen leben, verlassen sich darauf, den Gefrierpunkt ihrer inneren Flüssigkeiten zu senken. Dies erzeugt Toleranz gegenüber Gefrierbedingungen und ermöglicht diesen Organismen, bei extrem kalten Temperaturen zu überleben.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Unterkühlung in Fällen stattfindet, in denen die Struktur einer Substanz aus Atomen in fünfeckigen Clustern besteht. Fünfecke können geometrisch nicht so angeordnet werden, dass sie einen kristallinen Raum vollständig ausfüllen, sodass keine Kristallisation stattfindet. Der verstärkte Effekt wurde in Studien zum Wachstum von Nanodrahtstrukturen auf Silizium nachgewiesen.