Nucleazione
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Il fenomeno della nucleazione è rinvenibile in diversi campi.
Nella Metallurgia si ha la nucleazione di un metallo che passa dallo stato liquido a quello solido. Essa può essere omogenea o eterogenea.
[modifica] Nucleazione omogenea
La trasformazione di un metallo da liquido a solido è spontanea e comporta quindi una diminuizione dell'energia libera ΔG. Solo al di sotto della temperatura di equilibrio (solidificazione) il metallo solido è stabile, avendo energia libera inferiore.
Si consideri:
- (ΔGv) = energia libera di volume, legata al volume della particella;
- (ΔGs) = energia libera di superficie, legata alla superficie di separazione solido - liquido.
La solidificazione avviene quando:
(ΔGv) + (ΔGs) < 0
cioè quando il termine (ΔGv) negativo si riduce di più di quanto il termine (ΔGs) positivo aumenta. Dal momento che (ΔGv) è nullo alla temperatura di equilibrio, è necessario un sottoraffreddamento notevole (e poco conveniente industrialmente).
Si consideri l'esempio della solidificazione di una fase omogenea sottoraffreddata con embrione sferico.
Dati:
- ΔGv energia libera di un volume unitario;
- σ energia libera per unità d'area di interfaccia;
si ha che:
ΔG = (ΔGv) + (ΔGs) = 
Esiste un raggio critico rc al di sotto del quale la particella solida, anziché accrescersi, si ridiscioglie nel liquido. Esso si ricava dall'annullamento della derivata di ΔG rispetto a r e vale:
Mentre σ non dipende dalla temperatura, ΔGv diventa sempre più negativa al diminuire della temperatura; pertanto la nucleazione è favorita dal sottoraffreddamento, il raggio critico e l'energia di nucleazione diminuiscono.
Data la dipendenza inversa della resistenza meccanica di un metallo a T ambiente dalla dimensione dei cristalli, il grado di sottoraffreddamento assume una notevole importanza.
[modifica] Nucleazione eterogenea
Le inclusioni e le varie superfici (tipicamente quelle del contenitore) diminuiscono l'influenza di ΔGs e abbassano quindi il raggio critico di nucleazione, tanto più quanto diminuisce l'angolo di bagnabilità.
In campo industriale si esegue quindi l'inoculazione con sostanze solide alla temperatura di solidificazione del liquido metallico (carburi, nitruri, ossidi...).
