Phasenkerne

Phasenkerne sind lokal begrenzte Bereiche, in denen eine neue thermodynamische Phase bei einem Phasenübergang entsteht. Der Begriff wird vor allem in der Werkstoffkunde, Thermodynamik und Meteorologie verwendet; synonym werden auch Bezeichnungen wie Keim, Nukleationszentrum oder Nukleus gebraucht. Phasenkerne können spontan durch thermische Fluktuationen (homogene Keimbildung) oder bevorzugt an Oberflächen, Verunreinigungen oder Versetzungen (heterogene Keimbildung) entstehen.

Für das Wachstum einer neuen Phase ist häufig eine kritische Keimgröße erforderlich: kleinere Ansammlungen sind instabil und gehen wieder verloren, größere wachsen fort und bestimmen die Mikrostruktur des Materials. Die Wahrscheinlichkeit der Keimbildung und die kritische Größe hängen von Parametern wie Unterkühlung, Oberflächenenergie, mechanischer Spannung und chemischer Zusammensetzung ab.

Phasenkerne spielen eine zentrale Rolle in vielen technischen Prozessen: Kristallisation bei Metallen und Polymeren, Bildung von Eiskristallen in Wolken, Festkörperphasenübergänge in Keramiken sowie Wirkstoffkristallisation in der Pharmaproduktion. Experimentell werden sie mit mikroskopischen, spektroskopischen und streumethodischen Verfahren beobachtet; theoretisch werden klassische Keimbildungstheorie, statistische Modelle und phasenfeldbasierte Simulationen eingesetzt. Die gezielte Beeinflussung von Phasenkernen ist ein wichtiges Mittel zur Steuerung von Materialeigenschaften und Prozessqualität.