核生成
この現象は、様々な科学技術的側面から注目を浴びている。化学工業では、触媒として金属超分散粉末を調製するような場合にも多用される。例えば、TiO2のナノ粒子に白金を結合させたものを用いると、水からの水素の合成を触媒することができる。また半導体産業では、ギャップ幅が金属ナノクラスタのサイズに影響されるために重要である。
均質な溶液中での核生成は起こりにくい過程であるが、均質核生成と呼ばれる。形成された核は新しい相との境界面を提供することになる。
液温が不均質核生成温度(融点)を下回るが、均質核生成温度(純物質の凝固点)を上回っている状態のことを、過冷却という。これはアモルファス固体のような準安定状態の構造を作る時に役立つが、プロセス化学や鋳造においては望ましくない状態である。過冷却により過飽和状態が生じ、核生成の駆動力となる。これは形成された固体内の圧力が液体の圧力より小さい場合に起こり、液体と固体間での単位体積あたりの自由エネルギー G v {\displaystyle G_{v}} の変化をもたらす。この変化量は、体積が増えることによる自由エネルギー獲得と新たな表面の表面エネルギーによるエネルギー損失の差として決定される。全体としての自由エネルギー変化 Δ G {\displaystyle \Delta G} が負になったとき、核生成が起こる。
核が小さすぎると(不安定核、または幼核 "embryo")、体積増加によるエネルギーが表面エネルギーを上回ることができず、核生成は促進されない。核の大きさはその半径によって表されるが、これが臨界半径 r=r* を超えると核生成が促進されるようになる。
クラスタ形成時に単位体積あたり -Gv J(ここで Gv は負)のエネルギーが獲得されるが、新たに生成する単位面積あたり σ のエネルギーを損失するとしたとき、半径rのクラスタの形成に必要なエネルギーは次のようになる。
ここで、 f ( θ ) = 1 2 − 3 4 c o s θ + 1 4 c o s 3 θ {\displaystyle f(\theta )\ ={\frac {1}{2}}-{\frac {3}{4}}cos\theta +{\frac {1}{4}}cos^{3}\theta }
エネルギー障壁が低下しているため、必要な過冷度も小さくなる。接触角がクラスタ形状に影響するために、臨界半径は変化しないがクラスタの体積は小さくて済む。
不均質核生成の場合は、壁と流体が離れることで解放されるエネルギーも重要である。例えばペットボトルの表面にCO2の泡が形成されるような場合、水とボトルの接触面が離れることで解放されるエネルギーは、泡と水・泡とボトルの接触面を形成するエネルギーとなる。同じ現象が沈殿粒子の結晶粒界の形成で見られる。また、これは均質核生成に依存する現象である、金属の時効を妨げる。