Nukleasjonsteori

Nukleasjonsteori er rammeverket som forklarer hvordan en ny fase oppstår i en eksisterende fase gjennom dannelse av små kjernepartikler, eller nuklei. Fenomenet er sentralt i prosesser som krystallisering av metaller fra smelte, solidifikasjon av væsker ved nedkjøling, kondensering av damp til væske og bobledannelse i mettet løsning. Teorien skiller mellom homogen nucleasjon, der kjernen oppstår tilfeldig i et uniformt medium, og heterogen nucleasjon, som skjer på overflater, partikler eller forurensninger.

Den klassiske nukleasjonsteorien (CNT) beskriver kjerneformasjon som en balanse mellom gevinst i volum og kostnad i overflate. For en kjerne med radius r i en væske er ΔG(r) = (4/3)π r^3 Δg_v + 4π r^2 γ, der Δg_v er bulkfree-energy-forskjellen per volum og γ er grenseflateenergi mellom fasene. Den kritiske kjernen har r* = 2γ/|Δg_v|, og barrieren ΔG* = 16π γ^3 /(3 |Δg_v|^2). Den termodynamiske barrieren må passeres for at kjerneutvikling skal kunne skje.

Kinetikk tilsier at nucleation rate J avhenger av både en kinetisk faktor og en Boltzmannfaktor, ofte uttrykt som J ∝ Z β n* exp(-ΔG*/kT). Her er Z en Zeldovich-faktor, β en formasjon- eller diffusjonshastighet for klynger og n* antallet av kritiske klynger.

Heterogen nukleasjon skjer ved tilstedeværelse av overflater, urenheter eller partikler, og barrieren er betydelig redusert sammenlignet med homogen nukleasjon. Dette skjer ofte i praktiske materialprosesser og naturfenomener, der geometriske og interaksjonelle forhold avgjør enhetsbarrieren via en faktor f(θ) som avhenger av kontaktvinkelen mellom kernen og underlaget.

Anvendelser av nukleasjonsteori finnes i metallurgi, polymerkrystallisering, atmosfærisk skydannelse og geologiske prosesser. Begrensninger inkluderer antagelser om skarpe grenseflater og enkel volum-overflate energi, samt at ikke-klassiske eller to-trinn-nukleasjon kan være relevante i flere systemer.