La nucleación es un proceso físico en el que se produce un cambio de estado, por ejemplo, de líquido a sólido, en una sustancia alrededor de ciertos puntos focales, conocidos como núcleos. Algunos ejemplos comunes son la condensación de vapor de agua en gotitas en la atmósfera, la formación de cristales de hielo cuando el agua se congela y la aparición de burbujas de gas en un líquido. La nucleación heterogénea ocurre en los casos en que hay núcleos preexistentes presentes, como pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido o gas. La nucleación homogénea ocurre donde no están presentes tales contaminantes y es mucho menos frecuente. Esta reacción física es la base de una variedad de procesos de fabricación y fenómenos naturales interesantes.
A menudo, una vez que comienza a producirse la nucleación, muestra una curva de crecimiento exponencial. Por ejemplo, una vez que los cristales comienzan a formarse en una solución, su área de superficie aumenta a medida que crecen, atrayendo más moléculas y promoviendo el crecimiento a un ritmo cada vez mayor, hasta que la solución se estabiliza y no se pueden formar más cristales. Esto explica por qué se necesita tiempo para que un río se congele en el invierno, pero una vez que el hielo comienza a formarse en el cuerpo del río, generalmente lo cubre muy rápidamente.
Nucleación heterogénea
El agua normalmente se congela a 32 ° F (0 ° C). Esto se debe a que contiene numerosas y diminutas partículas sólidas de polvo y materia orgánica alrededor de las cuales puede ocurrir la congelación; se las puede considerar como «semillas» que inician el proceso. El agua extremadamente pura, que no contiene estas partículas, en realidad se congela a -43.6 ° F (-42 ° C). Si el agua pura se enfría a una temperatura por debajo del punto de congelación normal, pero por encima de su punto de congelación puro, permanece líquida y se dice que está sobreenfriada. Luego, se puede inducir que el agua se congele muy rápidamente agregando un solo pequeño cristal de hielo, que actúa como un núcleo.
Se puede demostrar un fenómeno similar usando una solución sobresaturada de acetato de sodio. Se disolverá más compuesto en agua caliente que en agua fría, pero se puede preparar una solución sobresaturada agregándola a agua muy caliente hasta que no se disuelva más, y luego dejándola enfriar sin molestias. Para cuando el agua esté fría, tendrá más acetato de sodio en solución de lo que podría haberse disuelto simplemente agregándolo al agua fría. Esta es una solución sobresaturada. Si ahora se agrega un solo grano del compuesto, los cristales se formarán rápidamente a través de la nucleación y se esparcirán por todo el líquido, de modo que parezca congelarse.
Otro ejemplo entretenido, esta vez relacionado con la liberación de gas disuelto, es la conocida demostración explosiva que utiliza marcas populares de mentas y bebidas gaseosas. La superficie de la menta está cubierta de azúcar, que forma muchos pequeños centros de nucleación. La bebida gaseosa contiene una gran cantidad de dióxido de carbono disuelto, que se convierte en gas al entrar en contacto con la menta, formando grandes cantidades de burbujas y creando una presión que obliga al líquido a salir de su recipiente a alta velocidad, formando una fuente o «géiser».
La formación de nubes en la atmósfera es un ejemplo de un gas que se condensa en un líquido a través de la nucleación. Sería mucho más difícil que se formaran nubes sin la presencia de partículas de polvo en el aire, que se conocen como núcleos de condensación. Se cree que el humo, el hollín y otras partículas producidas por las actividades humanas pueden actuar de esta manera, aumentando la cobertura de nubes en áreas contaminadas. En algunos casos, se liberan deliberadamente pequeños cristales a la atmósfera para que actúen como núcleos de condensación y fomenten la formación de nubes en áreas muy secas; esta práctica se conoce como «siembra de nubes».
Nucleación homogénea
Esto ocurre de forma espontánea en una sustancia que no contiene impurezas que puedan actuar como núcleos preexistentes y, por tanto, es completamente uniforme. Suele ocurrir en respuesta a un cambio de temperatura o presión. Para que ocurra el proceso, se deben crear nuevos núcleos a partir de la sustancia misma, a través de fluctuaciones aleatorias una vez que las condiciones sean adecuadas. Un ejemplo es la congelación de agua absolutamente pura a -43.6 ° F (-42 ° C).
Otro es la formación de cristales de hielo en las nubes o niebla helada a nivel del suelo. Las gotas de agua suspendidas en el aire se pueden enfriar hasta muy por debajo del punto de congelación sin formar hielo; por esta razón, las nubes, incluso cuando la temperatura del aire está por debajo del punto de congelación, suelen estar formadas por gotitas de agua superenfriada. La niebla helada se forma a partir de gotas de agua que se congelan instantáneamente cuando entran en contacto con una superficie; La niebla helada, que consiste en cristales de hielo, solo se forma a temperaturas extremadamente bajas.
Productos
La nucleación afecta y se utiliza en muchos procesos de fabricación. Por ejemplo, se emplea en la producción de catalizadores para la industria química y muchos catalizadores logran sus efectos a través de este proceso. También se utiliza en la fabricación de semiconductores para la industria electrónica. En repostería, la producción de caramelo de roca es un ejemplo de nucleación que permite la formación de grandes cristales a partir de una solución de azúcar sobresaturada.