Nucleationprosesseja

Nucleationprosesseja kuvaa uuden faasin muodostumisen alkuvaihe. Kun järjestelmä saavuttaa energian kynnysarvon, syntyy pieni ydin, joka voi kasvaa ja johtaa kokonaisen faasin muodostumiseen. Nucleationprosesseihin vaikuttavat sekä termodynaamiset että kineettiset tekijät, kuten lämpötila, paine, kemiallinen koostumus sekä epäpuhtauksien tai pintojen läsnäolo. Eri olosuhteet johtavat erilaisiin ydinalojen ja kasvun mekanismeihin.

Ydinprosessit jaetaan homogeenisiin ja heterogeenisiin. Homogeeninen nucleation tapahtuu ilman ulkoisia pintoja; nucleation tapahtuu nestemästä, kaasusta tai liuoksesta, ja rajoitukset vähenevät vain faasien sisäisten ominaisuuksien mukaan. Heterogeeninen nucleation hyödyntää olemassa olevia pintoja – kuten epäpuhtauksia, kapillaarisia rajapintoja tai hiukkasia – mikä alentaa energian kynnystä ja nopeuttaa ydintä.

Klassisen nucleaatio-teorian mukaan ydin muodostuu, kun pienet ydinrakenteet ylittävät energiakynnyksen, jonka summa riippuu rajapinnasta ja faasien välisten jännitteiden voimakkuudesta. Pienemmät ytimet purkautuvat takaisin, suuremmat kasvavat. Nucleation rate J kuvaa uusien ydinten syntymän tiheyttä tilavuusyksikköä kohti ajan funktiona, ja se riippuu supersaturationista tai undercoolingista sekä epäpuhtauksista ja liikkeestä.

Ydinten hallinta on keskeistä monilla aloilla, kuten pilvimuodostuksessa, metallurgiassa, polymerien ja lääkeainetesteissä. Nucleation-prosessit määrittävät kiteiden koon, mikrorakenteen ja lopullisen materiaalin ominaisuudet. Tutkimus käyttää kokeellisia ja matemaattisia malleja, kuten Avramin kinetiikan sovelluksia, ennustamaan kiteytymisen nopeutta ja lopullista rakennetta.