Nükleasyon Nedir?
Çekirdeklenme, sıvı damlacıklarının bir buhardan yoğunlaşabildiği veya kaynayan bir sıvı içinde gaz kabarcıklarının oluşabildiği bir süreçtir. Yeni kristaller oluşturmak için kristal çözeltide çekirdeklenme olabilir. Bu durum küçük kabarcıkların daha büyük kabarcıklarla birleştiği gazlarda görülür. Çekirdeklenme genel olarak yeni bir termodinamik faza veya kendi kendine birleşmiş bir yapı oluşumuna neden olan kendi kendini organize eden bir süreçtir.
Çekirdeklenme bir sistemdeki kirlilik seviyesinden etkilenir ve bir araya gelmelerini sağlamak için yüzeyler oluşabilir. Heterojen çekirdeklenmede organizasyon yüzeylerdeki çekirdeklenme noktalarında başlar. Homojen çekirdeklenmede organizasyon yüzeyden uzakta gerçekleşir. Bir ipte büyüyen şeker kristalleri heterojen çekirdeklenmeye bir örnektir. Başka bir örnek ise bir kar tanesinin bir toz parçacığı etrafında kristalleşmesidir. Homojen çekirdeklenme örneği ise kristallerin bir kabın duvarı yerine bir çözelti içinde büyümesidir.
Nükleasyon genellikle sistemdeki safsızlıklara karşı çok hassastır. Bu safsızlıklar çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük olabilir ancak yine de çekirdeklenme oranını kontrol edebilmektedirler. Bu nedenle heterojen çekirdeklenme ile homojen çekirdeklenme arasında ayrım yapmak önemlidir. Heterojen çekirdeklenme, sistemdeki yüzeylerdeki çekirdeklenme bölgelerinde meydana gelir. Homojen çekirdeklenme bir yüzeyden uzakta meydana gelir.
Özellikler
- Çekirdeklenme genelle rastgele bir süreçtir bu nedenle iki özdeş sistemde bile farklı zamanlarda çekirdeklenme meydana gelebilir.
- 0 °C’nin altındaki suda buz oluşumu gibi yeni bir termodinamik fazın çekirdeklenmesi için sistem zamanla evrimleşmiyorsa ve çekirdeklenme tek adımda gerçekleşiyorsa çekirdeklenmenin gerçekleşmeme olasılığı üstel bozunmaya bağlıdır. Bu durum aşırı soğutulmuş küçük su damlacıklarında, buzun çekirdeklenmesi ile görülür.
- Üstel bozunma hızı, çekirdeklenme oranını verir.
- Klasik çekirdeklenme teorisi, bu hızları ve bunların sıcaklık gibi değişkenlerle nasıl değiştiğini yaklaşık olarak tahmin etmek için yaygın olarak kullanılan bir teoridir.
- Alzheimer hastalığı ile ilişkili amiloid kümeleri gibi nesneleri oluşturan kendi kendine birleşme süreci de çekirdeklenme ile başlar.
ÖNEMLİ NOT: Heterojen çekirdeklenme, homojen çekirdeklenmeden daha yaygındır. Örnek olarak, aşırı soğutulmuş su damlacıkları ile buz çekirdeklendirildiğinde tüm safsızlıkları gidermek için suyu saflaştırmak yaklaşık ‑35 °C’nin altında donan su damlacıklarına neden olurken, safsızlıklar içeren su ‑5 °C’de veya daha sıcakta donabilir.
Çekirdeklenme Örnekleri
Sıvıların ve Gazların Çekirdeklenme Örnekleri
- Islak hava soğuduğunda (genellikle hava yükseldiğinden ) bulutlar oluşur ve birçok küçük su damlası aşırı doymuş havadan çekirdeklenir. Havanın taşıyabileceği su buharı miktarı düşük sıcaklıklarla azalmaktadır. Fazla buhar, çekirdeklenmeye ve bulut oluşturan küçük su damlacıkları oluşumuna neden olur. Sıvı su damlacıklarının çekirdeklenmesi, bulut yoğunlaşma çekirdekleri olarak adlandırılan parçacıklarda meydana gelen heterojen çekirdeklenmedir. Bulut tohumlama, bulut oluşumunu hızlandırmak için yapay yoğunlaşma çekirdekleri ekleme işlemidir.
- Karbonatlı sıvı içeren bir kaptan basınç serbest bırakıldıktan kısa bir süre sonra karbondioksit kabarcıklarında çekirdeklenme görülür.
- Kaynama sırasında çekirdeklenme basınç düşürülürse sıvı, basınca bağlı kaynama noktasına göre aşırı ısınırsa dökme sıvı oluşturur. Sık olan çekirdeklenme, ısıtma yüzeyindeki çekirdeklenme bölgelerinde meydana gelir. Çekirdeklenme alanları serbest gaz-sıvı yüzeyinin korunduğu küçük yarıklar veya ısıtma yüzeyinde daha düşük ıslatma özelliklerine sahip lekelerdir. Sıvı gazdan arındırıldıktan sonra ve ısıtma yüzeyleri temiz, pürüzsüz ve sıvı ile iyice ıslatılmış malzemelerden yapılmışsa, sıvının aşırı ısınması sağlanabilir.
- Bazı şampanya karıştırıcıları yüksek yüzey alanı ve keskin köşeler ile birçok çekirdeklenme yeri sağlar, kabarcıkların salınmasını hızlandırır ve şaraptaki karbonasyonu giderir.
- Diyet kola ve mentollü şeker patlaması da örneklerden biridir. Mentollü şekerin yüzeyi karbonatlı sodadan karbondioksit kabarcıklarının oluşumu için çekirdeklenme bölgeleri sağlar.
- Hem kabarcık odası hem de bulut odası sırasıyla kabarcıkların ve damlacıkların çekirdeklenmesine bağlıdır.
Kristallerde Çekirdeklenme Örnekleri
- Dünyadaki en yaygın kristalleşme süreci buz oluşumudur. Buz olmadığı sürece sıvı su 0 °C’de donmaz. Buzun çekirdeklenmesi ve dolayısıyla suyun donması için 0 °C’nin altında soğutma gereklidir. Çok saf olan suyun küçük damlacıkları -30 ° C’nin altına kadar sıvı kalabilir ancak buz 0 °C’nin altında donmuş durumdadır.
- Yapılan ve kullanılan malzemelerin çoğu kristaldir ancak bunlar sıvılardan da yapılır. Örnek olarak bir kalıba dökülen sıvı demirden yapılan kristalin demir. Bu kristalin malzemelerin çekirdeklenmesi endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Kimya endüstrisinde katalizör görevi görebilen metalik ultra dağılmış tozların hazırlanması yaygın olarak kullanılmaktadır.
Katılarda Çekirdeklenme Örnekleri
- Kristallerin çekirdeklenmesi ve büyümesi dışında kristalin olmayan camlarda tanecik sınırlarında ve aralarındaki kristallerde; safsızlık, çökeltilerinin çekirdeklenmesi ve büyümesi endüstriyel olarak oldukça önemlidir.
- Metallerde katı hal çekirdeklenmesi çökelti büyümesi ve süneklik gibi mekanik özelliklerin değiştirilmesinde önemlidir.
- Yarı iletkenlerde entegre devre üretimi sırasında safsızlıkların yakalanmasında çekirdeklenme önemlidir.