Ydinmuodostus

Ydinmuodostus (nucleaatio) on faasinmuutoksissa ja kiteytyksessä tapahtuva prosessi, jossa olemassa olevaan aineeseen syntyy pieni, vakaana pidetty ydin, jonka ympärille uusi faasi kasvaa. Esimerkkejä ovat kiteytyminen nesteestä kiinteään, kondensaatioprosessit kaasusta nesteeseen sekä kuplien muodostuminen nesteeseen.

Ydinmuodostus jaetaan usein kahteen päätyyppiin. Homogeeninen ydinmuodostus tapahtuu ilman ulkoisia pintakontakteja tai epäpuhtauksia, koko prosessi tapahtuu yhdenmukaisessa tilavuudessa. Heterogeeninen ydinmuodostus puolestaan tapahtuu pinnoilla, epäpuhtauksilla tai kemiallisten lisäaineiden vaikutuksesta, jolloin pienemmät energiabarriirit helpottuvat.

Teoreettisesti ydinmuodostus voidaan selittää klassisen nucleaatio-teorian avulla. Kun aine on ylipaineistunut tai ylipäiväne, muodostuessaan uusi faasi vaatii ylimääräistä vapaaenergiaa; kootut pienet klusterit ovat alun perin epäedullisia, mutta kun ne saavuttavat kriittisen koon, niiden vapaaenergia laskee ja ydin kasvaa nopeasti. Tämän energiabarriirin suuruus sekä kriittisen ytimen koko riippuvat lämpötilasta, paineesta ja supersaturaatiosta sekä siitä, onko kyse homogeenisestä vai heterogeenisestä prosessista. Ydinmuodostusta kuvaa usein ydinnopeus (J), joka kertoo, kuinka monta ydintä muodostuu aikayksikköä kohti.

Käytännössä ydinmuodostus on keskeinen vaihe muun muassa teollisessa kiteytyksessä, materiaalien jäähdytyksessä ja kristallien valmistuksessa, sekä ilmakehässä pilvien ja aerosolien muodostuksessa. Ydinmuodostuksen hallinta on tärkeää tuotteen ominaisuuksien, kuten kiteisyyden, mittakaavan ja korkean puhtauden kannalta, sekä ilmaston ja sääilmiöiden kannalta.