Nukleaatio on fyysinen prosessi, jossa tilan muutos – esimerkiksi nesteestä kiinteäksi – tapahtuu aineessa tiettyjen keskipisteiden ympärillä, joita kutsutaan ytimiksi. Yleisiä esimerkkejä ovat vesihöyryn tiivistyminen ilmakehän pisaroiksi, jääkiteiden muodostuminen veden jäätymisen yhteydessä ja kaasukuplien ilmestyminen nesteeseen. Heterogeeninen ytiminen tapahtuu tapauksissa, joissa on olemassa jo olemassa olevia ytimiä, kuten pieniä pölyhiukkasia, jotka on suspendoitu nesteeseen tai kaasuun. Homogeeninen ytimenmuodostus tapahtuu silloin, kun tällaisia epäpuhtauksia ei ole läsnä, ja se nähdään paljon harvemmin. Tämä fyysinen reaktio on perusta monille valmistusprosesseille ja mielenkiintoisille luonnonilmiöille.
Usein, kun ytiminen alkaa tapahtua, se osoittaa eksponentiaalisen kasvukäyrän. Esimerkiksi kun kiteitä alkaa muodostua liuokseen, niiden pinta-ala kasvaa kasvaessaan, houkuttelemalla lisää molekyylejä ja edistämällä kasvua yhä nopeammin, kunnes liuos stabiloituu ja kiteitä ei enää voi muodostua. Tämä selittää, miksi joen jäätyminen kestää talvella, mutta kun jää alkaa muodostua joen runkoon, se peittää joen yleensä hyvin nopeasti.
Heterogeeninen ydin
Vesi jäätyy normaalisti 32 ° C: n lämpötilassa. Tämä johtuu siitä, että se sisältää lukuisia pieniä kiinteitä pölyhiukkasia ja orgaanista ainetta, joiden ympärillä jäätyminen voi tapahtua – niitä voidaan ajatella “siemeninä”, jotka käynnistävät prosessin. Erittäin puhdas vesi, joka ei sisällä näitä hiukkasia, jäätyy itse asiassa -0 ° F (-43.6 ° C) lämpötilassa. Jos puhdas vesi jäähdytetään normaalin jäätymispisteen alapuolelle, mutta sen puhtaan jäätymispisteen yläpuolelle, se jää nestemäiseksi ja sen sanotaan ylikuumentuneen. Vesi voidaan sitten saada jäätymään hyvin nopeasti lisäämällä yksi pieni jääkite, joka toimii ytimenä.
Samanlainen ilmiö voidaan osoittaa käyttämällä ylikyllästettyä natriumasetaattiliuosta. Enemmän yhdistettä liukenee kuumaan veteen kuin kylmään, mutta ylikyllästetty liuos voidaan valmistaa lisäämällä se erittäin kuumaan veteen, kunnes se ei enää liukene, ja antaa sen sitten jäähtyä häiriöttömästi. Siihen mennessä kun vesi on kylmää, liuoksessa on enemmän natriumasetaattia kuin se olisi voinut liueta yksinkertaisesti lisäämällä sen kylmään veteen. Tämä on ylikyllästetty liuos. Jos nyt lisätään yksi rakeista yhdistettä, kiteitä muodostuu nopeasti ytimessä ja leviää koko nesteeseen niin, että se näyttää jäätyvän.
Toinen viihdyttävä esimerkki, johon tällä kertaa liittyy liuenneen kaasun vapautumista, on tunnettu räjähtävä esittely, jossa käytetään suosittuja rahapajojen ja kuohuviinien juomia. Mintun pinta on päällystetty sokerilla, joka muodostaa paljon pieniä ytimekeskuksia. Hiilihapotettu juoma sisältää paljon liuennutta hiilidioksidia, joka muuttuu kaasuksi joutuessaan kosketuksiin mintun kanssa muodostaen suuria määriä kuplia ja synnyttäen paineen, joka pakottaa nesteen ulos astiasta suurella nopeudella muodostaen suihkulähteen tai “geysirin”.
Pilvien muodostuminen ilmakehään on esimerkki kaasusta, joka tiivistyy nesteeksi ytimen muodostumisen kautta. Pilvien muodostuminen olisi paljon vaikeampaa ilman, että ilmassa on pölyhiukkasia, joita kutsutaan kondensaatioytimiksi. Uskotaan, että savu, noki ja muut ihmisen toiminnan tuottamat hiukkaset voivat toimia tällä tavalla ja lisätä pilvipeitettä saastuneilla alueilla. Joissakin tapauksissa pieniä kiteitä vapautetaan tarkoituksellisesti ilmakehään toimimaan kondensaatioytiminä ja kannustamaan pilvien muodostumiseen hyvin kuivilla alueilla; tämä käytäntö tunnetaan nimellä “pilvinen kylvö”.
Homogeeninen ydin
Tämä tapahtuu spontaanisti aineessa, joka ei sisällä epäpuhtauksia, jotka voivat toimia olemassa olevina ytiminä, ja on siksi täysin yhtenäinen. Se tapahtuu yleensä lämpötilan tai paineen muutoksen vuoksi. Jotta prosessi tapahtuisi, uudet ytimet on luotava aineesta itsestään satunnaisten vaihtelujen avulla, kun olosuhteet ovat sopivat. Esimerkki on täysin puhtaan veden jäädyttäminen -43.6 ° F (-42 ° C) lämpötilassa.
Toinen on jääkiteiden muodostuminen pilviin tai jäätynyt sumu maanpinnalle. Ilmassa suspendoituneet vesipisarat voidaan jäähdyttää reilusti jäätymispisteen alapuolelle muodostamatta jäätä; tästä syystä pilvet koostuvat yleensä jopa jäähdytetyn veden pisaroista, vaikka ilman lämpötila olisi alle pakkasen. Jäätyvä sumu muodostuu vesipisaroista, jotka jäätyvät välittömästi, kun ne joutuvat kosketuksiin pinnan kanssa; jäätynyt sumu, joka koostuu jääkiteistä, muodostuu vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa.
Sovellukset
Ydinvoima vaikuttaa moniin valmistusprosesseihin ja sitä käytetään. Sitä käytetään esimerkiksi kemianteollisuuden katalyyttien valmistuksessa, ja monet katalyytit saavuttavat vaikutuksensa tämän prosessin kautta. Sitä käytetään myös elektroniikkateollisuuden puolijohteiden valmistuksessa. Makeisissa kalkkikarkkien valmistus on esimerkki ytimestä, joka mahdollistaa suurten kiteiden muodostumisen ylikyllästetystä sokeriliuoksesta.