Η πυρηνοποίηση είναι μια φυσική διαδικασία κατά την οποία μια αλλαγή κατάστασης – για παράδειγμα, υγρό σε στερεό – συμβαίνει σε μια ουσία γύρω από ορισμένα εστιακά σημεία, γνωστά ως πυρήνες. Συνηθισμένα παραδείγματα είναι η συμπύκνωση υδρατμών σε σταγονίδια στην ατμόσφαιρα, ο σχηματισμός κρυστάλλων πάγου όταν το νερό παγώνει και η εμφάνιση φυσαλίδων αερίου σε ένα υγρό. Η ετερογενής πυρήνωση συμβαίνει σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν προϋπάρχοντες πυρήνες, όπως μικροσκοπικά σωματίδια σκόνης αιωρούμενα σε υγρό ή αέριο. Ομοιογενής πυρήνωση εμφανίζεται όπου δεν υπάρχουν τέτοιοι ρυπαντές και παρατηρείται πολύ λιγότερο συχνά. Αυτή η φυσική αντίδραση είναι η βάση για μια ποικιλία διαδικασιών παραγωγής και ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα.
Συχνά, μόλις αρχίσει να εμφανίζεται η πυρήνωση, δείχνει μια εκθετική καμπύλη ανάπτυξης. Για παράδειγμα, από τη στιγμή που οι κρύσταλλοι αρχίσουν να σχηματίζονται σε ένα διάλυμα, η επιφάνειά τους αυξάνεται καθώς μεγαλώνουν, προσελκύοντας περισσότερα μόρια και προάγοντας την ανάπτυξη με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό, έως ότου το διάλυμα σταθεροποιηθεί και δεν μπορούν να σχηματιστούν άλλοι κρύσταλλοι. Αυτό εξηγεί γιατί χρειάζεται χρόνος για να παγώσει ένα ποτάμι το χειμώνα, αλλά μόλις αρχίσει να σχηματίζεται ο πάγος στο σώμα του ποταμού, συνήθως καλύπτει τον ποταμό πολύ γρήγορα.
Ετερογενής Πυρηνοποίηση
Το νερό συνήθως παγώνει στους 32°F (0°C). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι περιέχει πολυάριθμα μικροσκοπικά στερεά σωματίδια σκόνης και οργανικής ύλης γύρω από τα οποία μπορεί να συμβεί κατάψυξη – μπορούν να θεωρηθούν ως «σπόροι» που ξεκινούν τη διαδικασία. Το εξαιρετικά καθαρό νερό, το οποίο δεν περιέχει αυτά τα σωματίδια, στην πραγματικότητα παγώνει στους -43.6°F (-42°C). Εάν το καθαρό νερό ψύχεται σε θερμοκρασία κάτω από το κανονικό σημείο πήξης, αλλά πάνω από το καθαρό σημείο πήξης, παραμένει υγρό και λέγεται ότι είναι υπερψυγμένο. Το νερό μπορεί στη συνέχεια να παγώσει πολύ γρήγορα με την προσθήκη ενός μικρού κρυστάλλου πάγου, ο οποίος λειτουργεί ως πυρήνας.
Ένα παρόμοιο φαινόμενο μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας ένα υπερκορεσμένο διάλυμα οξικού νατρίου. Περισσότερη ποσότητα της ένωσης θα διαλυθεί στο ζεστό νερό παρά στο κρύο, αλλά μπορεί να παραχθεί ένα υπερκορεσμένο διάλυμα προσθέτοντάς το σε πολύ ζεστό νερό μέχρι να μην διαλυθεί άλλο και στη συνέχεια αφήστε το να κρυώσει ανενόχλητο. Μέχρι να κρυώσει το νερό, θα έχει περισσότερο οξικό νάτριο σε διάλυμα από ό,τι θα μπορούσε να είχε διαλυθεί προσθέτοντάς το σε κρύο νερό. Αυτό είναι ένα υπερκορεσμένο διάλυμα. Εάν τώρα προστεθεί ένας μόνο κόκκος της ένωσης, οι κρύσταλλοι θα σχηματιστούν γρήγορα μέσω της πυρήνωσης και θα εξαπλωθούν σε όλο το υγρό, έτσι ώστε να φαίνεται να παγώνει.
Ένα άλλο διασκεδαστικό παράδειγμα, αυτή τη φορά που αφορά την απελευθέρωση διαλυμένου αερίου, είναι η γνωστή εκρηκτική επίδειξη με τη χρήση δημοφιλών εμπορικών σημάτων μέντας και ανθρακούχων ποτών. Η επιφάνεια της μέντας είναι επικαλυμμένη με ζάχαρη, η οποία σχηματίζει πολλά μικροσκοπικά κέντρα πυρήνων. Το ανθρακούχο ποτό περιέχει πολύ διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο γίνεται αέριο σε επαφή με τη μέντα, σχηματίζοντας μεγάλες ποσότητες φυσαλίδων και δημιουργώντας πίεση που αναγκάζει το υγρό να βγει από το δοχείο με υψηλή ταχύτητα, σχηματίζοντας ένα σιντριβάνι ή «γκέιζερ».
Ο σχηματισμός νεφών στην ατμόσφαιρα είναι ένα παράδειγμα αερίου που συμπυκνώνεται σε υγρό μέσω πυρήνων. Θα ήταν πολύ πιο δύσκολο να σχηματιστούν σύννεφα χωρίς την παρουσία σωματιδίων σκόνης στον αέρα, τα οποία είναι γνωστά ως πυρήνες συμπύκνωσης. Θεωρείται ότι ο καπνός, η αιθάλη και άλλα σωματίδια που παράγονται από ανθρώπινες δραστηριότητες μπορεί να δράσουν με αυτόν τον τρόπο, αυξάνοντας την κάλυψη των νεφών σε μολυσμένες περιοχές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μικροσκοπικοί κρύσταλλοι απελευθερώνονται σκόπιμα στην ατμόσφαιρα για να λειτουργήσουν ως πυρήνες συμπύκνωσης και να ενθαρρύνουν το σχηματισμό νεφών σε πολύ ξηρές περιοχές. αυτή η πρακτική είναι γνωστή ως «σπορά σύννεφων».
Ομογενής Πυρηνοποίηση
Αυτό συμβαίνει αυθόρμητα σε μια ουσία που δεν περιέχει ακαθαρσίες που μπορούν να λειτουργήσουν ως προϋπάρχοντες πυρήνες και επομένως είναι εντελώς ομοιόμορφη. Συνήθως συμβαίνει ως απόκριση σε αλλαγή θερμοκρασίας ή πίεσης. Για να συμβεί η διαδικασία, πρέπει να δημιουργηθούν νέοι πυρήνες από την ίδια την ουσία, μέσω τυχαίων διακυμάνσεων όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες. Ένα παράδειγμα είναι η κατάψυξη απολύτως καθαρού νερού στους -43.6°F (-42°C).
Ένα άλλο είναι ο σχηματισμός κρυστάλλων πάγου στα σύννεφα ή παγωμένης ομίχλης στο επίπεδο του εδάφους. Τα σταγονίδια νερού που αιωρούνται στον αέρα μπορούν να ψυχθούν πολύ κάτω από το σημείο πήξης χωρίς να σχηματίσουν πάγο. για το λόγο αυτό, τα σύννεφα, ακόμη και όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι κάτω από το μηδέν, συνήθως αποτελούνται από σταγονίδια υπερψυχμένου νερού. Η παγωμένη ομίχλη σχηματίζεται από σταγονίδια νερού που παγώνουν αμέσως όταν έρχονται σε επαφή με μια επιφάνεια. Η παγωμένη ομίχλη, που αποτελείται από κρυστάλλους πάγου, σχηματίζεται μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Διαχείριση Αιτήσεων
Η πυρηνοποίηση επηρεάζει και χρησιμοποιείται σε πολλές διαδικασίες παραγωγής. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στην παραγωγή καταλυτών για τη χημική βιομηχανία και πολλοί καταλύτες επιτυγχάνουν τα αποτελέσματά τους μέσω αυτής της διαδικασίας. Χρησιμοποιείται επίσης στην κατασκευή ημιαγωγών για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Στη ζαχαροπλαστική, η παραγωγή καραμέλας είναι ένα παράδειγμα πυρήνωσης που επιτρέπει τον σχηματισμό μεγάλων κρυστάλλων από ένα διάλυμα υπερκορεσμένου σακχάρου.