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Durch die Senkung des Umgebungsdrucks bilden sich Kohlendioxidblasen innerhalb eines kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränks.

Unter Nukleation oder Keimbildung versteht man in der Physik das Einsetzen eines Phasenübergangs innerhalb eines kleinen aber stabilen Raumes. Es handelt sich also beispielsweise um die spontane Bildung einer Gasblase innerhalb einer Flüssigkeit durch Verdampfen oder auch im umgekehrten Fall die Bildung eines Flüssigkeitspartikels innerhalb einer Gasphase durch Kondensation. Nukleationprozesse sind jedoch auch der erste Schritt zur Aufspaltung in zwei flüssige Phasen oder der Bildung von Feststoffen. Auch der Gefügeänderung in Feststoffen geht eine Nukleation voraus. Grundsätzlich wird zwischen einer homogenen (aus sich heraus) und einer heterogenen (an anderen Stoffen) Nukleation unterschieden.

Die Nukleation spielt eine zentrale Rolle in der Verfahrenstechnik von Polymeren, Legierungen sowie manchen Keramiken und ist darüber hinaus von großer Bedeutung in der Meteorologie, speziell der Bildung von Niederschlags- und Wolkentropfen.

Nukleationsprozesse werden wegen ihrer großen technischen Relevanz seit dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts systematisch untersucht. Substantielle Ergebnisse liegen jedoch bisher nur für den Phasenübergang flüssig-gasförmig, sowie für die Gefügeänderung in wenigen Metallen vor. Die hierfür aufgestellten Theorien werden mangels Alternative auf die restlichen Systeme übertragen. Die klassische Nukleationstheorie geht von einer kontinuierlichen Phase aus. Voraussetzung für die Kristallisation ist, dass die vorliegende Phase nicht die niedrigste Gibbsche Energie besitzt. Entsteht nun an einer Stelle eine energetisch günstigere Anordnung, die neue Phase, so muss die hierdurch gewonnene Energie größer sein als die Energie, die benötigt wird um die Phasengrenze zu erzeugen. Da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen antiproportional zum Keimdurchmesser ist gibt es stets einen kritischen Radius, den ein Keim überwinden muss um dann energetisch begünstigt wachsen zu können. Die benötigte Energie um diesen kritischen Keim zu formen wird als Keimbildungeenergie bezeichnet. Die Keimbildungsrate ist eine starke Funktion der Keimbildungsenergie. Zwischen den Spinodalen ist dieser Energiebetrag deutlich kleiner als die zur Verfügung stehende thermische Energie; es findet ein spontaner Phasenzerfall statt. Zwischen Spinodale und Binodale ist dieser Energiebetrag größer als die zur Verfügung stehende thermische Energie; es kommt zu vereinzelten Keimbildungen. Jenseits der Binodalen ist die andere Phase nicht mehr energetisch günstiger.

Homogene Nukleation

Erfolgt die Nukleation im freien Raum, also durch ein statisches Zusammentreffen von Teilchen, spricht man von einer homogenen Nukleation. Hierzu ist es notwendig, dass sich im Falle der Kondensation ausreichend viele und langsame Teilchen ohne weitere Hilfe zu größeren Strukturen zusammenfinden. Langsame Teilchen können durch das gleichzeitige Zusammentreffen von mehr als zwei Teilchen (Dreierstoß) entstehen. Hierbei nimmt ein Teilchen einen Großteil der kinetischen Energie auf und hinterlässt zwei langsame Teilchen. Die Übersättigung ist dabei ungefähr proportional zur Wahrscheinlichkeit eines derartigen Dreierstoßes, der zur Nukleation führt. Abhängig von dem betrachteten System können daher thermodynamisch metastabile Systeme sehr lange in diesem Zustand verharren.

Heterogene Nukleation

Im Gegensatz dazu benötigt man bei der heterogenen Nukleation nur sehr geringe Übersättigungen von oft sogar unter einem Prozent. Diese Form der Kondensation erfolgt wiederum im Fall der Kondensation an bereits existierenden Oberflächen, also im Regelfall an in der Gasphase schwebenden festen Partikeln, den Kondensationskernen bzw. Aerosolteilchen. Diese fungieren in Bezug auf das jeweilige Gas als eine Art Teilchenfänger, wobei im Wesentlichen der Radius und die chemischen Eigenschaften des Partikels bestimmen, wie gut die Gasteilchen an ihm haften bleiben. Analog gilt dies auch für Oberflächen nicht partikulärer Körper, wobei man dann von einem Beschlag spricht.

Siehe auch

• Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorow-Gleichung
• Moussierpunkt

Weblinks

• The Extreme Diet Coke & Mentos Experiments (en) - angewandte Nukleation

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