Nukleacija je fizični proces, pri katerem pride do spremembe stanja – na primer iz tekočine v trdno – v snovi okoli določenih žariščnih točk, znanih kot jedra. Pogosti primeri so kondenzacija vodne pare v kapljice v atmosferi, tvorba ledenih kristalov, ko voda zmrzne, in pojav plinskih mehurčkov v tekočini. Heterogena nukleacija se zgodi v primerih, ko so prisotna že obstoječa jedra, kot so drobni prašni delci, suspendirani v tekočini ali plinu. Homogena nukleacija se pojavi tam, kjer takih kontaminantov ni, in je veliko manj pogosto. Ta fizična reakcija je osnova za različne proizvodne procese in zanimive naravne pojave.
Pogosto, ko se začne nukleacija, kaže eksponentno krivuljo rasti. Na primer, ko se kristali začnejo tvoriti v raztopini, se njihova površina povečuje, ko rastejo, pritegnejo več molekul in spodbujajo rast z vedno večjo hitrostjo, dokler se raztopina ne stabilizira in kristali ne morejo več tvoriti. To pojasnjuje, zakaj je potreben čas, da reka pozimi zamrzne, ko pa se led začne tvoriti v telesu reke, običajno zelo hitro prekrije reko.
Heterogena nukleacija
Voda običajno zmrzne pri 32°F (0°C). To je zato, ker vsebuje številne drobne trdne delce prahu in organske snovi, okoli katerih lahko pride do zmrzovanja – lahko jih razumemo kot “semena”, ki sprožijo proces. Izjemno čista voda, ki ne vsebuje teh delcev, dejansko zmrzne pri -43.6°F (-42°C). Če se čista voda ohladi na temperaturo pod normalno ledišče, vendar nad njeno čisto ledišče, ostane tekoča in pravimo, da je prehlajena. Vodo lahko nato zelo hitro zmrznemo z dodajanjem enega samega majhnega ledenega kristala, ki deluje kot jedro.
Podoben pojav je mogoče dokazati z uporabo prenasičene raztopine natrijevega acetata. Več spojine se raztopi v vroči vodi kot v hladni, toda prenasičeno raztopino lahko naredite tako, da jo dodate v zelo vročo vodo, dokler se ne raztopi več, nato pa pustite, da se nemoteno ohladi. Ko je voda hladna, bo imela v raztopini več natrijevega acetata, kot bi ga bilo mogoče raztopiti s preprostim dodajanjem hladni vodi. To je prenasičena raztopina. Če zdaj dodamo eno samo zrno spojine, se bodo kristali hitro oblikovali skozi nukleacijo in se razširili po tekočini, tako da se zdi, da zmrzne.
Drug zabaven primer, ki tokrat vključuje sproščanje raztopljenega plina, je dobro znana demonstracija eksploziva z uporabo priljubljenih znamk mete in gaziranih pijač. Površina mete je prevlečena s sladkorjem, ki tvori veliko drobnih centrov jedra. Gazirana pijača vsebuje veliko raztopljenega ogljikovega dioksida, ki se ob stiku z meto pretvori v plin, tvori velike količine mehurčkov in ustvarja pritisk, ki tekočino sili iz posode z veliko hitrostjo in tvori vodnjak ali “gejzir”.
Nastajanje oblakov v atmosferi je primer kondenzacije plina v tekočino z nukleacijo. Oblaki bi se veliko težje oblikovali brez prisotnosti prašnih delcev v zraku, ki jih imenujemo kondenzacijska jedra. Domneva se, da lahko dim, saje in drugi delci, ki nastanejo pri človekovih dejavnostih, delujejo na ta način in povečajo oblačnost na onesnaženih območjih. V nekaterih primerih se drobni kristali namerno sproščajo v ozračje, da delujejo kot kondenzacijska jedra in spodbujajo nastanek oblakov na zelo suhih območjih; ta praksa je znana kot “sejanje v oblaku”.
Homogena nukleacija
To se zgodi spontano v snovi, ki ne vsebuje nečistoč, ki bi lahko delovale kot že obstoječa jedra, in je zato popolnoma enotna. Običajno se zgodi kot odziv na spremembo temperature ali tlaka. Da se proces zgodi, je treba iz snovi same ustvariti nova jedra z naključnimi nihanji, ko so pogoji primerni. Primer je zmrzovanje popolnoma čiste vode pri -43.6 °F (-42 °C).
Druga je tvorba ledenih kristalov v oblakih ali zamrznjene megle na tleh. Kapljice vode, suspendirane v zraku, je mogoče ohladiti na precej pod lediščem, ne da bi tvorili led; zaradi tega so oblaki, tudi ko je temperatura zraka pod lediščem, običajno sestavljeni iz kapljic prehlajene vode. Ledena megla nastane iz vodnih kapljic, ki v trenutku zmrznejo, ko pridejo v stik s površino; zamrznjena megla, sestavljena iz ledenih kristalov, nastane le pri izjemno nizkih temperaturah.
Aplikacije
Nukleacija vpliva in se uporablja v številnih proizvodnih procesih. Na primer, uporablja se pri proizvodnji katalizatorjev za kemično industrijo in številni katalizatorji dosegajo svoje učinke s tem postopkom. Uporablja se tudi pri proizvodnji polprevodnikov za elektronsko industrijo. V slaščičarstvu je proizvodnja bonbonov primer nukleacije, ki omogoča tvorbo velikih kristalov iz prenasičene sladkorne raztopine.