Nukleaatio

Nukleaatio tai ydintyminen on aineen olomuodon muutoksen ensimmäinen askel. Nukleaatiossa esimerkiksi kaasuun muodostuu pieniä nestepisaroita tai veteen kaasukuplia sen alkaessa kiehua. 

Aerosolifysiikassa nukleaatiolla tarkoitetaan ilmiötä, jossa kaasuun muodostuu nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia, aerosolihiukkasia. Esimerkiksi vesihöyryssä kaasumolekyylit törmäilevät satunnaisesti toisiinsa Brownin liikkeen vuoksi. Molekyylien väliset vuorovaikutukset kuten van der Waalsin voimat, vetysidokset tai ionisidokset sitovat törmänneitä molekyylejä toisiinsa. Kun olosuhteet ovat suotuisat eli kyllästyssuhde ylittää yhden, aineelle on energeettisesti suotuisampaa olla nestemäisessä olomuodossa kuin kaasuna. Silloin satunnaisista törmäilyistä muodostuneet molekyylirypäät eli molekyyliklusterit kasvavat ja muuttuvat pysyviksi.

Kun kyllästyssuhde on yksi, kaasumolekyylit esiintyvät yksinään tai korkeintaan kahden tai kolmen molekyylin rypäissä. Kun kyllästyssuhde kasvaa, syntyy isompia rypäitä. Pisaran syntyä voidaan tarkastella Gibbsin vapaaenergian avulla.

Pieni pisara tarvitsee energiaa kasvaakseen. Kun pisaran koko ylittää ns. kriittisen säteen, se alkaa kasvaa itsestään, sillä ylikyllästynyt kaasu tiivistyy pisaran pinnalle. Kriittistä sädettä pienemmät ytimet eivät ole stabiileja.

Homogeeninen nukleaatio

Homogeenisessa nukleaatiossa uusi pisara syntyy suoraan höyrystä. Höyryssä voi olla useampia yhdisteitä, jolloin nukleaatio voi olla yksi-, kaksi- tai kolmekomponenttista (). Jotta pisaroita voisi muodostua homogeenisesti nukleoitumalla puhtaasta aineesta, tarvitaan korkea ylikyllästystila. Sen sijaan kaasuseoksissa yksittäisten komponenttien ei tarvitse välttämättä olla lähelläkään kyllästymispistettä, jotta homogeenistä nukleaatiota esiintyisi. Monikomponenttista homogeenista nukleaatiota sen sijaan pidetään merkittävänä aerosolin syntymekanismina luonnossa.  Ilmakehätieteissä tärkeimpiä nukleoituvia seoksia ovat vesi–rikkihappo- sekä vesi–ammoniakki–rikkihapposeokset. Teoreettisten ja laboratoriotutkimusten osalta eräs eniten tutkituista nukleoituvista seoksista on vesi–etanoli-systeemi. Ilmakehässä yksikomponenttista homogeenista nukleaatiota ei havaita, sillä se vaatisi 300–800 prosentin suhteellisen kosteuden. 

Suomessa suurimmat ilmakehän nukleaatioilmiöiden tutkimusta harjoittavat ryhmät ovat Helsingin yliopistossa Markku Kulmalan kokeellinen ja Hanna Vehkamäen teoreettinen tutkimusryhmä. Lisäksi nukleaatioilmiöitä tutkitaan aktiivisesti ainakin Jorma Keskisen ryhmässä Tampereen teknillisessä yliopistossa sekä Kuopion yliopiston Jorma Jokiniemen ryhmässä.

Heterogeeninen nukleaatio

Luonnossa esimerkiksi sadepisarat syntyvät lähes aina valmiiden ytimien ympärille, mitä kutsutaan heterogeeniseksi nukleaatioksi. Heterogeenisella nukleaatiolla tarkoitetaan siis ilmiötä, jossa pisara muodostuu jonkin vieraan hiukkasen, ionin tai seinämän pinnalle. Heterogeeninen nukleaatio tapahtuu helpommin kuin homogeeninen. Tämä aiheutuu siitä, että hydrofiilisillä aineilla nesteen ja kiinteän aineen välisen rajapinnan pintajännitys on tuntuvasti pienempi kuin neste–ilma-rajapinnan. Tällöin klusterilla, jonka ulkopinnasta osa on neste–kiinteä-rajapintaa, on pienempi Gibbsin energia kuin vastaavankokoisella, kokonaan ilmassa olevalla klusterilla. Pienempi Gibbsin energia puolestaan merkitsee sitä, että klusteri saavuttaa kriittisen koon selvästi helpommin.

Kevytkola ja Mentos -purkaus 

Ilmiössä, jossa kevyt-Coca-Cola ja Mentos reagoivat, syntyy nukleaatio, sillä kun Mentos putoaa kevytkolaan, Mentoksen pinnalle muodostuu kaasukuplia, jonka kevytkola vapauttaa erittäin nopeasti.

Aiheesta muualla
Helsingin Yliopiston Hiukkastieto.fi -sivusto 

Aerosolifysiikka