Tiivistymisteoriat

Tiivistymisteoriat ovat tieteellinen ala, joka tutkii tiivistymisen mekanismeja ja ilmiöitä eri ainejärjestelmissä. Tiivistyminen tarkoittaa yleisesti hajallaan olevan aineen järjestäytymistä tiiviimmän tilan, kuten nesteen tai kiinteän aineen, muodostamiseksi. Teoriaan liittyvät sekä fysiikan että kemian prosessit, ja joissain tapauksissa biologiset sekä ympäristöön liittyvät ilmiöt, joissa lämpötila, paine ja koostumus vaikuttavat tiivistymisreaktioiden aloittamiseen ja etenemiseen.

Keskeisiä käsitteitä ovat termodynaaminen ajuri, vapaan energian muutos sekä nukleaatio ja kasvu. Nukleaatio kuvaa tiivistymisreaktion alkua energian esteen yli; kasvu tarkoittaa tiivistymisjakson laajenemista ja yhdistymistä, kunnes syntyvät vakaat tai pitkään elävät rakenteet. Monissa järjestelmissä tiivistymisvaiheiden välillä esiintyy kriittisiä mittasuhteita sekä jäähtymis- tai ylipainesuhteita, jotka määrittävät uuden tilan syntymisen.

Lähestymistavat vaihtelevat teoreettisista malleista kokeellisiin menetelmiin ja simulointeihin. Keskeisiä keinoja ovat klassinen nukleaatio­teoria, spinodiaalinen hajoaminen sekä tilastofysikaaliset mallit; lisäksi käytetään molekyylimallinnuksia ja tietokonesimulaatioita sekä kokeellisia havaintoja ja energiamittauksia. Teoriat ja mallit soveltuvat sekä yksikomponenttisiin että monikomponenttisiin seoksiin.

Sovelluksia löytyy esimerkiksi meteorologiasta, joissa pilvien muodostuminen liittyy vesihöyryn tiivistymiseen ja sadeenergian kerääntymiseen, sekä teollisuudesta, jossa tiivistymisprosesseja hallitaan esimerkiksi kalvojen ja pintojen muodostamisessa sekä vakuumiprosesseissa. Tiivistymisteoriat auttavat myös ymmärtämään luonnonilmiöitä kuten sade- ja sumuprosesseja sekä materiaalitutkimusta uusien kalvojen ja pintojen kehittämisessä.

Historia tiivistymisteorioissa ulottuu termodynamiikan ja faasimuutosten tutkimukseen 1800–1900-luvuilta. Nykyään teoreettiset mallit huomioivat epälineaariset vuorovaikutukset ja monikomponenttiset järjestelmät. Kritiikkiä aiheuttavat usein oletukset ja rajoitteet, joita malleihin liittyy sekä haasteet siirtää laboratorio- kokeista käytännön sovelluksiin.