Nukleacija je fizički proces u kojem se promjena stanja – na primjer, tekuće u kruto – događa u tvari oko određenih žarišnih točaka, poznatih kao jezgre. Uobičajeni primjeri su kondenzacija vodene pare u kapljice u atmosferi, stvaranje kristala leda kada se voda smrzava i pojava mjehurića plina u tekućini. Heterogena nukleacija događa se u slučajevima kada su prisutne već postojeće jezgre, kao što su sitne čestice prašine suspendirane u tekućini ili plinu. Homogena nukleacija događa se tamo gdje nema takvih kontaminanata i mnogo se rjeđe viđa. Ova fizička reakcija temelj je za razne proizvodne procese i zanimljive prirodne pojave.
Često, kada se nukleacija počne događati, ona pokazuje eksponencijalnu krivulju rasta. Na primjer, kada se kristali počnu stvarati u otopini, njihova površina raste kako rastu, privlačeći više molekula i promičući rast sve većom brzinom, sve dok se otopina ne stabilizira i više se kristali ne mogu formirati. To objašnjava zašto je rijeci potrebno vrijeme da se zamrzne zimi, ali kada se led počne stvarati u tijelu rijeke, obično vrlo brzo prekriva rijeku.
Heterogena nukleacija
Voda se normalno smrzava na 32°F (0°C). To je zato što sadrži brojne sitne čvrste čestice prašine i organske tvari oko kojih može doći do smrzavanja – mogu se smatrati “sjemenom” koje pokreće proces. Izuzetno čista voda, koja ne sadrži ove čestice, zapravo se smrzava na -43.6°F (-42°C). Ako se čista voda ohladi na temperaturu ispod normalne točke smrzavanja, ali iznad njezine čiste točke smrzavanja, ostaje tekuća i kaže se da je prehlađena. Voda se tada može potaknuti da se vrlo brzo zamrzne dodavanjem jednog malog kristala leda, koji djeluje kao jezgra.
Sličan se fenomen može pokazati korištenjem prezasićene otopine natrijevog acetata. Više spoja otopit će se u vrućoj vodi nego u hladnoj, ali prezasićena otopina se može napraviti dodavanjem u vrlo vruću vodu dok se više ne otopi, a zatim se pusti da se neometano ohladi. Dok voda bude hladna, imat će više natrijevog acetata u otopini nego što bi se moglo otopiti jednostavnim dodavanjem u hladnu vodu. Ovo je prezasićena otopina. Ako se sada doda jedno zrno spoja, kristali će se brzo formirati kroz nukleaciju i širiti se po tekućini, tako da se čini da se smrzava.
Još jedan zabavan primjer, ovaj put koji uključuje ispuštanje otopljenog plina, je dobro poznata demonstracija eksploziva koristeći popularne marke mente i gaziranih pića. Površina metvice obložena je šećerom koji tvori mnogo sićušnih nukleacijskih centara. Gazirano piće sadrži puno otopljenog ugljičnog dioksida, koji postaje plin u kontaktu s mentom, stvarajući velike količine mjehurića i stvarajući pritisak koji tjera tekućinu iz spremnika velikom brzinom, tvoreći fontanu ili “gejzir”.
Formiranje oblaka u atmosferi primjer je kondenzacije plina u tekućinu kroz nukleaciju. Bilo bi mnogo teže da se oblaci formiraju bez prisutnosti čestica prašine u zraku, koje su poznate kao kondenzacijske jezgre. Smatra se da dim, čađa i druge čestice koje nastaju ljudskim aktivnostima mogu djelovati na taj način, povećavajući naoblačenje u zagađenim područjima. U nekim slučajevima, sićušni kristali se namjerno ispuštaju u atmosferu da djeluju kao jezgre kondenzacije i potiču stvaranje oblaka u vrlo suhim područjima; ova praksa je poznata kao “sijevanje oblaka”.
Homogena nukleacija
To se događa spontano u tvari koja ne sadrži nečistoće koje mogu djelovati kao već postojeće jezgre, te je stoga potpuno ujednačena. Obično se događa kao odgovor na promjenu temperature ili tlaka. Da bi se proces dogodio, nove jezgre moraju biti stvorene iz same tvari, kroz nasumične fluktuacije nakon što uvjeti budu prikladni. Primjer je zamrzavanje apsolutno čiste vode na -43.6°F (-42°C).
Drugi je stvaranje kristala leda u oblacima ili smrznute magle na razini tla. Kapljice vode suspendirane u zraku mogu se ohladiti na znatno ispod točke smrzavanja bez stvaranja leda; iz tog razloga se oblaci, čak i kada je temperatura zraka ispod nule, obično sastoje od kapljica prehlađene vode. Zaleđena magla nastaje od kapljica vode koje se odmah smrzavaju kada dođu u dodir s površinom; smrznuta magla, koja se sastoji od kristala leda, nastaje samo pri ekstremno niskim temperaturama.
Aplikacije
Nukleacija utječe i koristi se u mnogim proizvodnim procesima. Primjerice, koristi se u proizvodnji katalizatora za kemijsku industriju, a mnogi katalizatori ovim postupkom postižu svoje učinke. Također se koristi u proizvodnji poluvodiča za elektroničku industriju. U slastičarstvu, proizvodnja kamenih bombona primjer je nukleacije koja omogućuje stvaranje velikih kristala iz prezasićene otopine šećera.