nukleationsbarriären

Die Nukleationsbarriere beschreibt die minimale Energie, die aufgebracht werden muss, um die Bildung eines stabilen Keims einer neuen Phase aus einer instabilen Mutterphase zu initiieren. Dieser Prozess ist entscheidend für Phasenübergänge wie Verdampfung, Kondensation, Kristallisation oder die Bildung von Blasen. Die Mutterphase, beispielsweise eine übersättigte Lösung oder ein unterkühltes flüssiges Metall, ist energetisch ungünstig, aber stabil genug, um nicht spontan in die neue Phase zu übergehen.

Die Nukleation kann homogen oder heterogen erfolgen. Bei der homogenen Nukleation bilden sich Keime der neuen Phase im Inneren der Mutterphase, ohne die Hilfe einer Fremdoberfläche. Dies erfordert eine höhere Energie, da die gesamte Oberfläche des neuen Keims neu gebildet werden muss. Die heterogene Nukleation hingegen findet an Oberflächen statt, wie z.B. an Verunreinigungen, Wänden eines Gefäßes oder winzigen Partikeln. Diese Oberflächen reduzieren die Energie, die für die Keimbildung benötigt wird, da sie einen Teil der Grenzflächenenergie bereitstellen.

Die Größe der Nukleationsbarriere hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Übersättigung oder Unterkühlung der Mutterphase, die Oberflächenspannung zwischen den beiden Phasen und die Art der Nukleation (homogen oder heterogen). Eine höhere Übersättigung oder Unterkühlung verringert die Barriere, während eine höhere Oberflächenspannung sie erhöht. Wenn die Energie, die durch die Bildung der neuen Phase gewonnen wird, die Energie der neu gebildeten Grenzfläche übersteigt, wird der Keim stabil und kann wachsen. Die Nukleationsbarriere ist somit ein Maß für die kinetische Hürde, die überwunden werden muss, damit ein Phasenübergang stattfinden kann.