Nukleationen

Die Nukleation bezeichnet den ersten Schritt in vielen Phasenübergängen, bei dem sich aus einer metastabilen Ausgangsphase eine neue, stabile Phase bildet. Typische Beispiele sind die Kristallbildung aus einer Lösung oder Schmelze, die Kondensation von Dampf zu Tropfen oder die Bildung neuer Phasen in Metallen und Polymeren. Zentral ist, dass spontane Bildung eines kleinen Kernes allein oft nicht ausreicht; er muss eine bestimmte Größe überschreiten, damit er wachsen kann.

Es gibt homogene Nukleation, die im Inneren einer abgeschlossenen Phase ohne äußere Oberflächen stattfindet, und heterogene Nukleation, die an Oberflächen, Staubpartikeln oder anderen Einschnitten beginnt. Heterogene Nukleation hat in der Regel eine deutlich niedrigere Energiebarriere. Nach der klassischen Nukleationstheorie resultiert die Energieänderung beim Bilden eines kugelförmigen Kerns der Größe r aus ΔG(r) = (4/3)π r^3 Δg_v + 4π r^2 γ, wobei Δg_v der volumetrische Freie-Energie-Unterschied ist und γ die Grenzflächenenergie. Der Kern ist kritisch bei r* = 2γ/(-Δg_v). Die entsprechende Barriere beträgt ΔG* = 16π γ^3 / (3(-Δg_v)^2).

Ausgelöst wird Nukleation typischerweise durch Übersättigung bzw. Unterkühlung. Die Nukleationsrate J hängt exponentiell von der Barriere ab und wird oft beschrieben als J ∝ exp(-ΔG*/kT). Nach der Bildung eines Kerns folgt oft ein Kristallwachstum, das die mikroskopische Struktur der Phase verbreitet. Faktoren wie Temperatur, Druck, Reinheit, Schädigung oder der Anwesenheit von Oberflächen beeinflussen J und γ.

Nukleation ist zentral in der Metallverarbeitung (Guss, Wärmebehandlung), der Polymer- und Lösungskristallisation, der Kondensation in der Aerosol- und Meteorologie (Wolkenbildung) sowie in der Halbleitertechnik bei der Bildung von Phasen oder Körnern.