成核(英語:Nucleation,也稱形核、核化)是相變初始時的「孕育階段」。天空中的燃燒生成的煙,冰的結晶汽水啤酒的冒出的泡等的形成,均為成核現象。

成核現象需要成核位點(nucleation site)才可發生。汽化時,液相分子聚集於固相物質上面,分子不斷碰撞使得能量聚集,進而形成「汽化中心」;結晶時,若使局部的溶質濃度升高而導致晶體碰撞次數增加,則結晶的晶形構造加快,從而形成「結晶中心」。晶核(英語:crystal nucleus)為晶體的生長中心。晶核的成核有兩種形式:初級成核(包括初級均相成核和初級非均相成核)及二次成核。在高於飽和度的情況下,溶液自發形成晶核的過程,稱作初級均相成核;若晶核是在溶液外來物的誘導下生成,則稱其為初級非均相成核;晶核如在含有溶質晶體的溶液中生成,則稱為二次成核。

例子

液體/氣體成核

  • 的形成來源於潮濕的空氣上升到一定高度受到冷卻後,小水滴從過飽和的空氣中成核而來[1]。小水滴的成核是異質的(heterogeneous),其成核點也被稱作雲凝結核人工降雨正是利用了此原理,在可能降雨的雲層中撒播人工降雨劑以加強成核效率。
  • 碳酸水在被開啟後,二氧化碳氣泡在容器表面成核。
 
二氧化碳氣泡在手指的形核位置。

晶體成核

  • 地球上最常見的結晶現象應該是冰的形成。純淨的液態水在0°C時,如果液體中沒有任何冰晶則不會結冰,需要冷卻到更低的溫度才開始結冰。[1]
  • 我們日常使用的不少材料都是從液體中生產出的晶體,例如鐵具是由鐵水倒入模具鑄造而成的;因此這些材料的成核在工業中被廣泛研究[2]。在化學工業中,製造被用作催化劑的金屬超分散粉末(metallic ultradispersed powder)也有運用到成核,例如在TiO2納米顆粒上沉積鉑(被用於從水中催化獲取氫氣的催化劑)[3]。成核也是半導體工業中重要的考慮因素,因為半導體中的能隙也受到納米糰簇大小的影響[4]

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 H. R. Pruppacher and J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Kluwer (1997).
  2. ^ Kelton, Ken; Greer, Alan Lindsay. Nucleation in Condensed Matter: Applications in Materials and Biology. Amsterdam: Elsevier Science & Technology. 2010. ISBN 9780080421476. 
  3. ^ Palmans, Roger; Frank, Arthur J. A molecular water-reduction catalyst: Surface derivatization of titania colloids and suspensions with a platinum complex. The Journal of Physical Chemistry. 1991, 95 (23): 9438. doi:10.1021/j100176a075. 
  4. ^ Rajh, Tijana; Micic, Olga I.; Nozik, Arthur J. Synthesis and characterization of surface-modified colloidal cadmium telluride quantum dots. The Journal of Physical Chemistry. 1993, 97 (46): 11999. doi:10.1021/j100148a026. 

延伸閱讀