Kärnbildning

Kärnbildning, eller nucleation, är processen där små kluster av molekyler eller atomer bildar en stabil kärna som kan växa till en ny fas, till exempel kristall eller vätskefas, vid övermättnad eller överkylning. Kärnorna måste nå en kritisk storlek för att kunna växa; mindre kärnor tenderar att dissociera igen.

Kärnbildning uppstår vanligtvis i två huvudtyper: homogen kärnbildning, där kärnor bildas i en homogen miljö utan yttre ytor, och heterogen kärnbildning, där kärnbildningen sker vid ytor, partiklar eller andra gränsytor som sänker energi-barriären. Den energi som krävs för att bilda en kärna kallas fri energi eller ΔG, och i en enkel formel är den sammanlagda kostnaden för att bilda yta och få volumförändringen att gynnas av den nya fasen. Den kritiska kärnan har en viss radie där vidare tillväxt blir termodynamiskt gynnsamt. Om kärnan är mindre än denna radie kommer den att försvinna, medan den större än denna radie växer.

Klassisk kärnbildningsteori beskriver hur temperatur, tryck och blandningens sammansättning påverkar energibarriären och därmed bildningstakten. Faktorer som ytkontakt, närvaro av föroreningar eller ytan heterogenitet, samt diffusionshastighet påverkar också processen. Kärnbildning är central inom områden som kristallisation i materialvetenskap och livsmedels- samt läkemedelsframställning, meteorologi (molnbildning och nederbörd), geologi och tekniska processer där kontroll av fasomvandlingar är viktig. Opåverkade eller kontrollerade kärnbildningsförlopp kan leda till olika kristallformer, morfologier och egenskaper hos slutprodukten.