Kristallneubildungen

Kristallneubildungen bezeichnet den Prozess, durch den sich aus einer ungeordneten Phase heraus ein kristallines Gefüge bildet. Dabei wird ein kleiner Kristallkern (Nukleus) geschaffen, der die weitere Wachstumsphase initiiert. Der Begriff wird in Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Geologie verwendet und umfasst sowohl homogene als auch heterogene Nukleation.

Nach der klassischen Nukleationstheorie ist die Bildung eines Kristallkerns energetisch mit einer Barriere verbunden. Die Freie Energieänderung besteht aus einem volumenbezogenen Gewinn bei der Umwandlung in einen Kristall und einer Kostenkomponente durch die neu entstehende Oberfläche. Es ergibt sich ein kritischer Radius r*, bei dem der Gesamtnutzen die Barriere überwindet. Kerne, die größer als r* sind, wachsen weiter; kleinere lösen sich wieder auf.

Homogene Nukleation erfolgt zufällig im Inneren einer Phase, z. B. in stark unterkühlter Flüssigkeit oder in einer stark übersättigten Lösung, und erfordert hohe Übersättigung. Heterogene Nukleation läuft an Oberflächen, Grenzflächen oder Fremdpartikeln ab, wodurch die Barriere reduziert wird, sodass sich Kerne leichter stabilisieren. Typische Beispiele finden sich in der Kristallisation aus Lösungen durch Behälteroberflächen, Verunreinigungen oder Staubkörner.

Die Nukleationsrate hängt stark von Temperatur, Druck, Lösungsmittel, Konzentration, Reinheit, mechanischen Einflüssen und der Zeit ab. Die Kontrolle der Nukleation erlaubt das Erzielen bestimmter Kristallstrukturen (Polymorphie) und Korngrößen, was in der Pharma-, Metall- und Glasherstellung von zentraler Bedeutung ist. Nach der Bildung eines Nukleus folgt das Kristallwachstum, das die finalen Materialeigenschaften bestimmt.