Nucleatsiooniteooria

Nukleatsiooniteooria käsitleb uue faasi tekkimist olemasolevas süsteemis, näiteks vedeliku kristalliseerumist, gaasi kondenseerumist või lahuse kristalliseerumist. Uue faasi tekkimiseks tekib algnukleatsioon ehk nukleatsioon, mis peab ületama energiabarjääri, et kasv saaks edasi areneda. Teadlased uurivad nii termodünaamilisi kui kineetilisi tegureid, mis määravad, kui tõenäoline on nucleatsioon ja kui kiiresti see toimub.

Classical nucleation theory (CNT) kirjeldab protsessi energiahäire kaudu. Kui tekkinud nuku raadius on R, muutub süsteemi vabenergia ∆G(R) raadiuses suhtes. Üldiselt koosneb see mahulise faasimuutuse energiast ja interfacial energy pinge tõttu tekkinud energiast: ∆G(R) = (4/3)πR^3 ∆Gv + 4πR^2 γ, kus ∆Gv on mahu energiamuutus ja γ on faaside pindpine. Kriitiline suurus R* ja kriitiline energia ∆G* määratakse, misjärel nuclei kasvab: R* on energiabarjääri maksimaalse suurusega punkt, ja ∆G* on selle maksimaalse väärtuse energi Kahju. Nukleatsiooni kiirust iseloomustab J = A exp(-∆G*/kT), kus A on eeltingimuste konstant ja k on Boltzmanni konstant. Nii termodünaamika kui ka temperatuur ja kättesaadav ülekülluslikkus määravad protsessi kiiruse.

Homogeenne versus heterogeenne nucleatsioon: homogeenne tekib süsteemi sees, ilma kujutletavate pindade abita, ning nõuab suuremat energiahüpet; heterogeenne toimub substraadi või lisandite mõjul ning pindade interfacial energy vähendab barjääri, sageli sõltuvalt kontaktnurgast ja märgumisest.

Non-classical nucleation teooriad rõhutavad mitmeastmelisi teid, näiteks eelseisva täieliku nappseisu moodustumist või prenukleatsiooni kogumeid, mis võivad viia erineva mehhanismi kaudu. Nukleatsioon on kriitiline samm paljudes valdkondades, sealhulgas materjalide sünteesis, geoloogias, meteoroloogias ja farmakoloogias.

---