La nucléation est un processus physique dans lequel un changement d'état - par exemple, liquide à solide - se produit dans une substance autour de certains points focaux, appelés noyaux. Des exemples courants sont la condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes dans l'atmosphère, la formation de cristaux de glace lorsque l'eau gèle, et l'apparition de bulles de gaz dans un liquide. La nucléation hétérogène se produit dans les cas où il existe des noyaux préexistants présents, tels que les fines particules de poussière en suspension dans un liquide ou un gaz. Nucléation homogène se produit en l'absence de ces contaminants sont présents, et est beaucoup moins fréquemment observées. Cette réaction physique est la base pour une variété de procédés de fabrication et des phénomènes naturels intéressants.
Souvent, une fois germination commence à se produire, il montre une courbe de croissance exponentielle. Par exemple, une fois que les cristaux commencent à se former dans une solution, leur surface augmente à mesure qu'ils grandissent, attirer davantage de molécules et la promotion de la croissance à un rythme de plus en plus, jusqu'à ce que la solution se stabilise et pas plus de cristaux peuvent se former. Cela explique pourquoi il faut du temps pour une rivière à geler en hiver, mais une fois que la glace commence à se former dans le corps de la rivière, il couvre habituellement la rivière très rapidement.
Nucléation hétérogène
L'eau gèle normalement à 32 ° F (0 ° C). C'est parce qu'il contient de nombreuses petites particules solides de poussière et de matière organique autour de laquelle le gel peut se produire -, ils peuvent être considérés comme des «graines» qui commencent le processus. Eau très pure, qui ne contient pas ces particules, gèle effectivement à -43,6 ° C (-42 ° C). Si de l'eau pure est refroidie à une température inférieure au point de congélation normale, mais au-dessus de son point de congélation pur, il reste du liquide, et l'on dit être en surfusion. L'eau peut alors être amené à figer très rapidement par addition d'un seul petit cristal de glace, qui agit comme un noyau.
Un phénomène similaire peut être démontré en utilisant une solution sursaturée de sodium acétate. Plus du composé va se dissoudre dans l'eau chaude que dans l'eau froide, mais une solution sursaturée peut être fait en l'ajoutant à l'eau très chaude jusqu'à ce que plus va se dissoudre, puis laisser refroidir tranquillement. Au moment où l'eau est froide, il faudra plus de l'acétate de sodium en solution que pourrait avoir été dissous en ajoutant simplement à l'eau froide. Il s'agit d'une solution sursaturée. Si un seul grain du composé est maintenant ajoutée, les cristaux se forment rapidement dans la nucléation et se propager dans le liquide, de sorte qu'il semble se bloquer.
Un autre exemple amusant, impliquant cette fois la libération des gaz dissous, est la manifestation explosive connue en utilisant des marques populaires de bonbons à la menthe et des boissons gazeuses. La surface de la menthe est recouvert avec du sucre, qui fait beaucoup de centres de nucléation minuscules. La boisson gazeuse contient un grand nombre de dissous carbone dioxyde, qui devient gaz au contact de la menthe, la formation de grandes quantités de bulles et créer une pression qui force le liquide hors du récipient est à grande vitesse, formant une fontaine ou «geyser».
La formation des nuages dans l'atmosphère est un exemple d'un gaz à condensation dans un liquide à travers la nucléation. Il serait beaucoup plus difficile pour la formation de nuages sans la présence de particules de poussière dans l'air, qui sont connus comme des noyaux de condensation. On pense que la fumée, la suie et d'autres particules produites par les activités humaines peuvent agir de cette manière, l'augmentation de la couverture nuageuse dans les zones polluées. Dans certains cas, de minuscules cristaux sont volontairement disséminés dans l'atmosphère à agir comme des noyaux de condensation, et d'encourager la formation des nuages dans les zones très sèches; cette pratique est connue comme «l'ensemencement des nuages."
Nucléation homogène
Cela se produit spontanément dans une substance qui ne contient pas d'impuretés qui peuvent agir comme des noyaux pré-existantes, et est donc tout à fait uniforme. Il arrive souvent, en réponse à un changement de température ou de pression. Pour que le processus se produit, les nouveaux noyaux doivent être créées à partir de la substance elle-même, par le biais des fluctuations aléatoires lorsque les conditions sont favorables. Un exemple est le gel de l'eau absolument pure à -43,6 ° C (-42 ° C).
Un autre est la formation de cristaux de glace dans les nuages, ou congelés brouillard au niveau du sol. Les gouttelettes d'eau en suspension dans l'air peut être refroidi bien en dessous du point de congélation sans former de la glace; pour cette raison, des nuages, même lorsque la température de l'air est inférieure à zéro, le plus souvent constitués de gouttelettes d'eau en surfusion. Brouillard givrant est formé de gouttelettes d'eau qui gèlent instantanément quand ils entrent en contact avec une surface; brouillard gelé, constitué de cristaux de glace, ne se forme à des températures extrêmement basses.
Applications
La nucléation affecte, et elle est utilisée dans, de nombreux procédés de fabrication. Par exemple, il est utilisé dans la production de catalyseurs pour l'industrie chimique, et de nombreux catalyseurs à atteindre leurs effets par ce processus. Il est également utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs pour l'industrie électronique. Dans la confiserie, la production de sucre candi est un exemple de nucléation permettant la formation de gros cristaux à partir d'une solution de sucre sursaturée.