La nucléation est un processus physique dans lequel un changement d’état – par exemple, de liquide à solide – se produit dans une substance autour de certains points focaux, appelés noyaux. Des exemples courants sont la condensation de la vapeur d’eau en gouttelettes dans l’atmosphère, la formation de cristaux de glace lorsque l’eau gèle et l’apparition de bulles de gaz dans un liquide. La nucléation hétérogène se produit dans les cas où des noyaux préexistants sont présents, tels que de minuscules particules de poussière en suspension dans un liquide ou un gaz. La nucléation homogène se produit là où aucun de ces contaminants n’est présent, et est beaucoup moins fréquemment observée. Cette réaction physique est à la base d’une variété de procédés de fabrication et de phénomènes naturels intéressants.
Souvent, une fois que la nucléation commence à se produire, elle présente une courbe de croissance exponentielle. Par exemple, une fois que les cristaux commencent à se former dans une solution, leur surface augmente au fur et à mesure qu’ils grandissent, attirant plus de molécules et favorisant la croissance à un rythme toujours croissant, jusqu’à ce que la solution se stabilise et qu’aucun autre cristal ne puisse se former. Cela explique pourquoi une rivière met du temps à geler en hiver, mais une fois que la glace commence à se former dans le corps de la rivière, elle recouvre généralement la rivière très rapidement.
Nucléation hétérogène
L’eau gèle normalement à 32 °F (0 °C). En effet, il contient de nombreuses minuscules particules solides de poussière et de matière organique autour desquelles le gel peut se produire – elles peuvent être considérées comme des « graines » qui démarrent le processus. L’eau extrêmement pure, qui ne contient pas ces particules, gèle en fait à -43.6 °F (-42 °C). Si l’eau pure est refroidie à une température inférieure au point de congélation normal, mais au-dessus de son point de congélation pure, elle reste liquide et est dite surfondue. L’eau peut alors être amenée à geler très rapidement en ajoutant un seul petit cristal de glace, qui agit comme un noyau.
Un phénomène similaire peut être mis en évidence en utilisant une solution sursaturée d’acétate de sodium. Une plus grande partie du composé se dissoudra dans l’eau chaude que dans l’eau froide, mais une solution sursaturée peut être obtenue en l’ajoutant à de l’eau très chaude jusqu’à ce qu’elle ne se dissolve plus, puis en la laissant refroidir sans être dérangée. Au moment où l’eau est froide, il y aura plus d’acétate de sodium en solution que ce qui aurait pu être dissous en l’ajoutant simplement à de l’eau froide. Il s’agit d’une solution sursaturée. Si un seul grain du composé est maintenant ajouté, des cristaux se formeront rapidement par nucléation et se répandront dans le liquide, de sorte qu’il semble geler.
Un autre exemple amusant, impliquant cette fois la libération de gaz dissous, est la démonstration explosive bien connue utilisant des marques populaires de menthes et de boissons gazeuses. La surface de la menthe est recouverte de sucre, qui forme de nombreux petits centres de nucléation. La boisson gazeuse contient beaucoup de dioxyde de carbone dissous, qui se transforme en gaz au contact de la menthe, formant de grandes quantités de bulles et créant une pression qui force le liquide à sortir de son récipient à grande vitesse, formant une fontaine ou un « geyser ».
La formation de nuages dans l’atmosphère est un exemple de gaz se condensant en liquide par nucléation. Il serait beaucoup plus difficile pour les nuages de se former sans la présence de particules de poussière dans l’air, appelées noyaux de condensation. On pense que la fumée, la suie et d’autres particules produites par les activités humaines peuvent agir de cette manière, augmentant la couverture nuageuse dans les zones polluées. Dans certains cas, de minuscules cristaux sont délibérément libérés dans l’atmosphère pour agir comme des noyaux de condensation et favoriser la formation de nuages dans les zones très sèches ; cette pratique est connue sous le nom de ensemencement des nuages.
Nucléation homogène
Cela se produit spontanément dans une substance qui ne contient pas d’impuretés pouvant agir comme des noyaux préexistants, et est donc complètement uniforme. Cela se produit généralement en réponse à un changement de température ou de pression. Pour que le processus se produise, de nouveaux noyaux doivent être créés à partir de la substance elle-même, par le biais de fluctuations aléatoires une fois que les conditions sont appropriées. Un exemple est la congélation d’eau absolument pure à -43.6°F (-42°C).
Un autre est la formation de cristaux de glace dans les nuages, ou de brouillard gelé au niveau du sol. Les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air peuvent être refroidies bien en dessous du point de congélation sans former de glace ; pour cette raison, les nuages, même lorsque la température de l’air est inférieure au point de congélation, sont généralement constitués de gouttelettes d’eau en surfusion. Le brouillard givrant est formé de gouttelettes d’eau qui gèlent instantanément lorsqu’elles entrent en contact avec une surface; le brouillard gelé, constitué de cristaux de glace, ne se forme qu’à des températures extrêmement basses.
Applications
La nucléation affecte et est utilisée dans de nombreux procédés de fabrication. Par exemple, il est utilisé dans la production de catalyseurs pour l’industrie chimique, et de nombreux catalyseurs obtiennent leurs effets grâce à ce processus. Il est également utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs pour l’industrie électronique. En confiserie, la production de rock candy est un exemple de nucléation permettant la formation de gros cristaux à partir d’une solution de sucre sursaturé.