Beispiele für Phasenübergangskerne, deren Dynamik ihr eigenes Wachstum behindert?

Viele Kristalle wachsen nach dem Start, aber es kann schwierig sein, sie zu starten.

Wasser hat eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften. Zum einen ist Eis weniger dicht als Wasser. Angenommen, Sie haben reines Wasser. Benachbarte Wassermoleküle ziehen sich an, wenn sie getrennt werden. Wenn sie zu nah sind, stoßen sie ab. Sie können dies als Kraft oder als potentielle Energie beschreiben. Es gibt einen Abstand, in dem die potentielle Energie minimal ist.

In flüssigem Wasser haben Moleküle eine beträchtliche Menge an kinetischer Energie. Wasser bildet ständig kleine geordnete Gruppen. Aber sie trennen sich sofort.

Bild von https://royalbcmuseum.bc.ca/exhibits/living-landscapes/thomp-ok/env-changes/water/introduction.html

Ähnlich ist es bei Eiskristallen. Die Moleküle passen in eine andere, getrenntere Konfiguration. Es gibt eine andere, niedrigere, minimale potentielle Energie. Diese Struktur ist bei niedrigen Temperaturen stabil. Aber bei höheren Temperaturen ist die kinetische Energie der Moleküle stark genug, um diese Bindungen aufzubrechen.

Wasser gefriert bei$0$C. Aber es ist am dichtesten bei$4$C. Zwischen diesen Temperaturen bilden kleine Gruppen von Molekülen eisähnliche Strukturen, die sofort aufbrechen, sowie wasserähnliche Strukturen. Nahe$0$C, es gibt genügend kurzzeitige eisähnliche Strukturen, um Wasser weniger dicht zu machen.

Und doch bildet sich bei dieser Temperatur kein Eis. Tatsächlich ist es möglich, Wasser super zu kühlen - es unten abzukühlen$0$C im flüssigen Zustand. Sobald sich in unterkühltem Wasser Eis bildet, gefriert das Wasser sofort. Aber etwas kann verhindern, dass es beginnt, Eiskristalle zu bilden.

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Es ist energetisch günstig, wenn Wassermoleküle in einer wasserähnlichen Struktur nahe beieinander liegen. Auch in einer eisähnlichen Struktur. Aber weniger günstig für eine wasserähnliche Struktur in der Nähe einer eisähnlichen Struktur. Dies ist eine Konfiguration mit höherer Energie.

Wenn Masseneis auf Massenwasser trifft, befindet sich fast jedes Molekül im Inneren von Eis oder Wasser. Relativ wenige sind direkt an der Oberfläche.

Genau bei$0$C, Eis und Wasser befinden sich im Gleichgewicht. Aus dem Eis werden so viele Moleküle herausgerissen und zu Wasser, wie aus dem Wasser gefrieren, um zu Eis zu werden. Bei einer etwas niedrigeren Temperatur ist es wahrscheinlicher, dass Wassermoleküle im Eis einfrieren. Das Eis wächst.

Aber was wäre, wenn es kein Eis gäbe und die Temperatur sinken würde? Kleine eisähnliche Strukturen bilden sich ständig zufällig. Diese enthalten vielleicht Dutzende von Molekülen in einem eisähnlichen Feststoff. Aber in einer kleinen Kugel oder einem ähnlichen Fleck befinden sich wenige Moleküle im Inneren und viele an der Oberfläche. Die Energie eines solchen Blobs ist hoch. Es zerfällt schnell in eine Flüssigkeit.

Die Eisbildung kann erst beginnen, wenn sich ein Klecks bildet, der so groß ist, dass die niedrige Energie des größeren Inneren die hohe Energie der Oberfläche überwindet. Sobald dies geschieht, wird der Feststoff wachsen.

Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Erstens kann die Temperatur so weit absinken, dass die feste Form gegenüber der Flüssigkeit stark bevorzugt wird. Selbst ein kleiner Klecks kann die Oberflächenenergie überwinden.

Zweitens kann Wasser mit einer Oberfläche in Kontakt sein. Auch wenn die Oberfläche Wasser nicht stark anzieht, kann sie dort, wo die Anziehung stärker ist, Mängel oder Verunreinigungen aufweisen. Da kann sich ohne so großen Energienachteil ein Blob bilden.

Drittens kann ein einfaches Aufwirbeln des Wassers, beispielsweise durch Schütteln, zur vorübergehenden Bildung eines größeren Kleckses beitragen.

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Dieses Beispiel hat über Wasser gesprochen, das eine ungewöhnliche Substanz ist. Aber viele Substanzen können ein ähnliches Verhalten haben, Kristalle zu bilden.