Nucleación

  La nucleación es el comienzo de un cambio de estado en una región pequeña pero estable. El cambio de estado puede ser la formación de gas o cristal a partir de un líquido.

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Ejemplos de nucleación

El agua pura se congela a −42°C, en lugar de su temperatura de fusión de 0°C, si no existen nucleadores para la formación del hielo. Por tanto, los nucleadores son importantes en meteorología, porque a menudo hay pocos nucleadores presentes en la atmósfera superior.

Las burbujas de dióxido de carbono nuclean poco después de que se libere la presión de un recipiente con líquido carbonatado. Normalmente la nucleación se produce con mayor facilidad en una interfaz preexistente (nucleación heterogénea), como sucede cuando se usan piedras de ebullición o en los hilos utilizados para hacer azúcar candi. Aquí se puede observar una demostración de la nucleación con gaseosa y un caramelo con muchos puntos de nucleación.

La nucleación es un proceso clave para entender el procesamiento térmico de los polímeros, aleaciones y algunas cerámicas.

En química y biofísica, la nucleación también puede hacer referencia a la formación de multímeros, que son intermediarios en los procesos de polimerización. Se cree que este tipo de proceso es el mejor modelo para procesos como la cristalización y la amiloidogénesis.

En biología molecular, la nucleación se utiliza para para finalizar la fase crítica en el montaje de una estructura polimérica, como un microtúbulo. Un pequeño grupo de monómeros se agrega con la ordenación correcta para iniciar una rápida polimerización. Por ejemplo, dos moléculas de actina se enlazan débilmente, pero la adición de una tercera estabiliza el complejo. Este trímero recibe luego moléculas adicionales y forma un punto de nucleación. El punto de nucleación sirve para que se lleve a cabo la fase lenta, o fase lag, del proceso de polimerización.

Mecánica de la nucleación

La nucleación ocurre normalmente con más dificultad en el interior de una sustancia uniforme, por un proceso llamado nucleación homogénea. Los líquidos que se enfrían por debajo de la temperatura máxima de nucleación heterogénea (temperatura de fusión), pero que están por encima de la temperatura de nucleación homogénea (la temperatura de congelación de la sustancia pura) se dice que están superenfriados. Esto es útil para hacer sólidos amorfos y otras estructuras metaestables, pero puede retrasar el progreso de los procesos químicos industriales o producir efectos indeseados en el contexto de la fundición.

La creación de un núcleo implica la formación de una interfaz en los límites del nuevo estado. Se gasta cierta energía para formar esta interfaz, basada en la energía de superficie de cada estado. Si un hipotético núcleo es demasiado pequeño, la energía que se liberaría al formarse su volumen no sería suficiente para crear su superficie, y no se produciría nucleación. El tamaño crítico del núcleo se puede expresar mediante su radio, y cuando r=r* (o r crítico) entonces se produce nucleación. Al irse haciendo más favorable el cambio de estado, la formación de un cierto volumen de núcleo libera la suficiente energía para formar una superficie cada vez más grande, permitiendo que sean viables núcleos progresivamente más pequeños. Finalmente, la activación térmica porporcionará la suficiente energía para formar un núcleo estable. Luego estos pueden crecer hasta que se restablece el equilibrio termodinámico.

En el caso de la nucleación heterogénea, se libera cierta energía por la destrucción parcial de la interfaz anterior. Por ejemplo, si se forma una burbuja de dióxido de carbono entre el agua y la superficie interior de una botella, la energía inherente a la interfaz burbuja-agua se libera donde intervenga una capa de gas, y esta energía se consume formando interfaces burbuja-agua y burbuja-botella. El mismo efecto puede hacer que se formen partículas de precipitación en los bordes granulosos de un sólido. Esto puede interferir con el endurecimiento por precipitación, que necesita nucleación homogénea para producir una distribución uniforme de partículas de precipitación.

Véase también

• Núcleos de condensación de una nube, la base para el desarrollo de una gota en una nube
• Radio crítico
• Congelación
• Núcleos de hielo, el centro de un cristal de hielo
• Nódulo polimétalico
• Superenfriamiento

Enlaces externos

• Notas sobre nucleación
• Experimentos extremos con Coca-Cola Light y Mentos - Diversión con la nucleación