Kärnbildning är en fysisk process där en förändring av tillstånd – till exempel flytande till fast – sker i ett ämne runt vissa brännpunkter, så kallade kärnor. Vanliga exempel är kondensering av vattenånga till droppar i atmosfären, bildandet av iskristaller när vatten fryser och uppkomsten av gasbubblor i en vätska. Heterogen kärnbildning sker i fall där det finns redan existerande kärnor, såsom små dammpartiklar suspenderade i en vätska eller gas. Homogen kärnbildning inträffar där inga sådana föroreningar är närvarande, och ses mycket mindre vanligt. Denna fysiska reaktion är grunden för en mängd olika tillverkningsprocesser och intressanta naturfenomen.
Ofta, när kärnbildning börjar inträffa, visar den en exponentiell tillväxtkurva. Till exempel, när kristaller börjar bildas i en lösning, ökar deras yta när de växer, vilket attraherar fler molekyler och främjar tillväxten i en ständigt ökande hastighet, tills lösningen stabiliseras och inga fler kristaller kan bildas. Detta förklarar varför det tar tid för en flod att frysa över på vintern, men när isen väl börjar bildas i flodens kropp täcker den vanligtvis floden väldigt snabbt.
Heterogen kärnbildning
Vatten fryser normalt vid 32°F (0°C). Detta beror på att det innehåller många små fasta partiklar av damm och organiskt material runt vilka frysning kan inträffa – de kan ses som ”frön” som startar processen. Extremt rent vatten, som inte innehåller dessa partiklar, fryser faktiskt vid -43.6°F (-42°C). Om rent vatten kyls till en temperatur under normal fryspunkt, men över dess rena fryspunkt, förblir det flytande, och sägs vara underkylt. Vattnet kan sedan fås att frysa mycket snabbt genom att tillsätta en enda liten iskristall, som fungerar som en kärna.
Ett liknande fenomen kan påvisas med en övermättad lösning av natriumacetat. Mer av föreningen kommer att lösas upp i varmt vatten än i kallt, men en övermättad lösning kan göras genom att tillsätta den till mycket varmt vatten tills inget mer kommer att lösas upp och sedan låta den svalna ostört. När vattnet är kallt kommer det att ha mer natriumacetat i lösning än vad som kunde ha lösts upp genom att helt enkelt tillsätta det i kallt vatten. Detta är en övermättad lösning. Om ett enda korn av föreningen nu tillsätts, kommer kristaller snabbt att bildas genom kärnbildning och spridas genom vätskan, så att den verkar frysa.
Ett annat underhållande exempel, denna gång med utsläpp av löst gas, är den välkända explosiva demonstrationen med populära märken av mynta och kolsyrade drycker. Myntans yta är belagd med socker, som bildar massor av små kärnbildningscentra. Den kolsyrade drycken innehåller mycket löst koldioxid, som blir till gas vid kontakt med myntan, bildar stora mängder bubblor och skapar tryck som tvingar ut vätskan ur behållaren med hög hastighet och bildar en fontän eller ”gejser”.
Bildandet av moln i atmosfären är ett exempel på en gas som kondenserar till en vätska genom kärnbildning. Det skulle vara mycket svårare för moln att bildas utan närvaron av dammpartiklar i luften, som är kända som kondensationskärnor. Man tror att rök, sot och andra partiklar som produceras av mänskliga aktiviteter kan agera på detta sätt, vilket ökar molntäcket i förorenade områden. I vissa fall släpps små kristaller avsiktligt ut i atmosfären för att fungera som kondensationskärnor och uppmuntra molnbildning i mycket torra områden; denna praxis är känd som ”molnsådd”.
Homogen kärnbildning
Detta sker spontant i en substans som inte innehåller några föroreningar som kan fungera som redan existerande kärnor och är därför helt enhetlig. Det händer vanligtvis som svar på en förändring i temperatur eller tryck. För att processen ska inträffa måste nya kärnor skapas ur själva ämnet, genom slumpmässiga fluktuationer när förhållandena är lämpliga. Ett exempel är frysning av absolut rent vatten vid -43.6°F (-42°C).
En annan är bildandet av iskristaller i moln, eller frusen dimma på marknivå. Vattendroppar svävande i luften kan kylas till långt under fryspunkten utan att bilda is; av denna anledning består moln, även när lufttemperaturen är under fryspunkten, vanligtvis av droppar av underkylt vatten. Frysande dimma bildas av vattendroppar som omedelbart fryser när de kommer i kontakt med en yta; frusen dimma, bestående av iskristaller, bildas bara vid extremt låga temperaturer.
Tillämpningar
Kärnbildning påverkar och används i många tillverkningsprocesser. Det används till exempel vid tillverkning av katalysatorer för den kemiska industrin, och många katalysatorer uppnår sina effekter genom denna process. Det används även vid tillverkning av halvledare för elektronikindustrin. Inom konfektyr är produktionen av stengodis ett exempel på kärnbildning som tillåter bildandet av stora kristaller från en övermättad sockerlösning.