Nukleation

  Nukleation oder Keimbildung ist der erste Teilprozess, der einen Phasenübergang erster Ordnung einleitet. Beispiele hierfür sind das Gefrieren von Wasser zu Eis, Blasenbildung beim Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase (z.B. beim Öffnen einer Wasserflasche mit gelöstem Kohlendioxid) oder die Kondensation eines Gases.

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Allgemeines

Wesentliches Merkmal der Keimbildung ist, dass die neue, bei den gegebenen Bedingungen thermodynamisch stabile Phase, zunächst durch Keime aus der alten, metastabilen Phase ausgebildet wird. Die Bildung dieser typischerweise nur nanometergroßen Keime ist zunächst kinetisch gehemmt. So gefriert z.B. ein Glas Wasser nicht spontan in der Hand bei -10 °C, obwohl der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C liegt. Flüssigkeiten lassen sich also unterkühlen und überhitzen. Der Grund für diese Hemmung liegt in der Arbeit, die aufgebracht werden muss, um die gekrümmte Oberfläche eines kleinsten Keims (z.B. ein kugelförmiges Tröpfchen) der neuen Phase zu bilden. Für kleinste Tröpfchen oder Kristalle ist diese Oberflächenarbeit größer als der Energiegewinn aus dem Übergang in die neue, stabile Phase. Die daraus entstehende freie Energiebarriere nennt man Keimbildungsbarriere. Die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um diese Barriere zu überwinden, nennt man Keimbildungsarbeit. Sind jedoch einmal Keime größer der sogenannten kritischen Keimgröße aus thermischen Fluktuationen gebildet, so wachsen sie schnell zur makroskopischen Phase an. Keimbildung kann damit auch als Prototyp eines aktivierten Prozesses verstanden werden.

Die Keimbildungsrate beschreibt, wieviele Keime der neuen Phase pro Volumen- und Zeiteinheit gebildet werden. Diese Keimbildungsrate hängt stark exponentiell von der Keimbilungsarbeit ab. Je höher die Keimbildungsarbeit und damit die Barriere zur Keimbildung, desto niedriger die Rate.

Keimbildung ist ein allgegenwärtiger Prozess. So erfährt z.B. die von einem Vulkan ausgestoßene Lava einen schlagartigen Temperatur- und Drucksturz und bildet so die typischen von kleinen Gasbläschen durchsetzten Gesteine. Ein anderes Beispiel sind Wetterphänomene wie die Bildung von Regen, Nebel und Schnee. In der Medizin kennt man z.B. die Taucherkrankheit, die durch zu schnelles Auftauchen verursacht wird. Hier wird der zuvor im Blut gelöste Stickstoff durch den Druckabfall ausgegast. Auch für die Industrie ist die Kenntnis der Keimbildungskinetik von höchstem Interesse, z.B. um den Tropfenschlag in Gasturbinen verhindern oder die Bildung des Kondensstreifens bei Düsenflugzeugen kontrollieren zu können.

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

Nukleationsprozesse werden wegen ihrer großen technischen Relevanz seit dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts systematisch untersucht. Substantielle Ergebnisse liegen jedoch bisher vor allem für den Phasenübergang gasförmig-flüssig, Kristallistation, sowie für die Gefügeänderung in wenigen Metallen vor. Die hierfür aufgestellten Theorien werden mangels Alternative häufig auf die restlichen Systeme übertragen.

Die nach wie vor vorherrschende Theorie ist die sogenannte klassische Keimbildungstheorie (classical nucleation theory)^{[1] [2] [3]} Diese wird aufgrund ihrer einfachen Struktur häufig verwendet, obwohl insbesondere für den gasförmig-flüssig Übergang wiederholt gezeigt werden konnte, dass die Vorhersage der Theorie typischerweise um mehrere Größenordnungen abweicht.

Jüngste Untersuchungen des gasförmig-flüssig Phasenübergangs von Argon zeigen z.B. Abweichungen zur klassischen Keimbildungstheorie von mehr als 20 Größenordnungen.^[4] Abweichungen dieser Größenordnung zwischen Theorie und Experiment sind nahezu einzigartig in der gegenwärtigen Naturwissenschaft. Diese Tatsache ist umso erstaunlicher, als es sich im wesentlichen um ein Problem der klassischen Physik handelt.

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
• Unterkühlung (Thermodynamik)
• Siedeverzug

Einzelnachweise

1. ↑ R. Becker, W. Döring: Kinetische Behandlung der Keimbildung in übersättigten Dämpfen, Ann. Phys. Bd24, S.719
2. ↑ D. Kashchiev, Butterworth-Heinemann (Hrsg.): "Nucleation: Basic Theory With Applications", 2000, ISBN 0750646829
3. ↑ P. G. Debenedetti, Princeton University Press (Hrsg.): "Metastable Liquids: Concepts and Principles", 1996
4. ↑ A. Fladerer, R. Strey: "Homogeneous nucleation and droplet growth in supersaturated argon vapor: The cryogenic nucleation pulse chamber." in The Journal of Chemical Physics 124, Nr. 16, 2006, S. 164710