التنوي

يُعدّ التكوين النووي غير المتجانس، أي التكوين النووي الذي تكون فيه النواة على سطح ما، أكثر شيوعًا بكثير من التكوين النووي المتجانس. ^{[ 1 ] [ 3 ]}

فعلى سبيل المثال، في عملية تكوّن الجليد من قطرات الماء فائقة التبريد، يؤدي تنقية الماء لإزالة جميع الشوائب أو معظمها إلى قطرات ماء تتجمد عند درجة حرارة أقل من -35  درجة مئوية تقريبًا، ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 6 ]} بينما قد يتجمد الماء الذي يحتوي على شوائب عند درجة حرارة -5  درجة مئوية أو أعلى. ^{[ 1 ]}

غالبًا ما يُفهم هذا الاستنتاج، القائل بإمكانية حدوث التكوين النووي غير المتجانس عندما يكون معدل التكوين النووي المتجانس معدومًا تقريبًا، باستخدام نظرية التكوين النووي الكلاسيكية . تتنبأ هذه النظرية بأن التكوين النووي يتباطأ أُسّيًا مع ارتفاع حاجز الطاقة الحرة ΔG *. ينشأ هذا الحاجز من تكلفة الطاقة الحرة اللازمة لتكوين سطح النواة النامية. ^{[ 8 ]} في حالة التكوين النووي المتجانس، تُقارب النواة بكرة، ولكن كما نرى في الرسم التخطيطي للقطرات المجهرية على اليمين، فإن القطرات على الأسطح ليست كرات كاملة، وبالتالي فإن مساحة السطح الفاصل بين القطرة والسائل المحيط بها أقل من مساحة سطح الكرة.${\displaystyle 4\pi r^{2}}$يؤدي هذا الانخفاض في مساحة سطح النواة إلى تقليل ارتفاع حاجز التكوين النووي، وبالتالي تسريع عملية التكوين النووي بشكل كبير. ^{[ 2 ]}

يمكن أن تبدأ عملية التبلور أيضًا على سطح سائل. على سبيل المثال، تُظهر عمليات المحاكاة الحاسوبية لجزيئات الذهب النانوية أن الطور البلوري يتشكل أحيانًا على سطح السائل والذهب. ^{[ 9 ]}

تعتمد نظرية التكوين النووي الكلاسيكية على عدة افتراضات، فهي على سبيل المثال، تعامل النواة المجهرية كما لو كانت قطرة كبيرة ذات سطح محدد، تُقدّر طاقتها الحرة باستخدام خاصية التوازن: التوتر السطحي σ . بالنسبة لنواة قد لا يتجاوز قطرها عشرة جزيئات، ليس من الواضح دائمًا إمكانية التعامل مع شيء صغير جدًا كحجم وسطح. كذلك، فإن التكوين النووي ظاهرة خارجة عن التوازن الديناميكي الحراري بطبيعتها ، لذا ليس من البديهي دائمًا تقدير معدله باستخدام خصائص التوازن.

مع ذلك، تتمتع الحواسيب الحديثة بقدرة كافية لحساب معدلات التكوين النووي الدقيقة تقريبًا للنماذج البسيطة. وقد قورنت هذه المعدلات بالنظرية الكلاسيكية، على سبيل المثال في حالة تكوين الطور البلوري في نموذج الكرات الصلبة. هذا نموذج لكرات صلبة تمامًا في حركة حرارية، وهو نموذج بسيط لبعض الغرويات . بالنسبة لتبلور الكرات الصلبة، تُعد النظرية الكلاسيكية نظرية تقريبية معقولة جدًا. ^{[ 10 ]} لذا، بالنسبة للنماذج البسيطة التي يمكننا دراستها، تعمل نظرية التكوين النووي الكلاسيكية بشكل جيد، لكننا لا نعلم ما إذا كانت تعمل بنفس الكفاءة (على سبيل المثال) للجزيئات المعقدة التي تتبلور من المحلول.

يمكن أيضًا تفسير عمليات التحول الطوري من خلال التفكك الدوراني ، حيث يتأخر انفصال الطور حتى يدخل النظام في المنطقة غير المستقرة، حيث يؤدي أي اضطراب طفيف في التركيب إلى انخفاض في الطاقة، وبالتالي نمو تلقائي لهذا الاضطراب. ^{[ 11 ]} تُعرف هذه المنطقة من مخطط الطور بالمنطقة الدورانية، وتُعرف عملية انفصال الطور بالتفكك الدوراني، وقد تخضع لمعادلة كان-هيلارد .

يُطلق على الفترة الزمنية اللازمة لظهور أول بلورة اسم زمن التبلور الأولي، تمييزًا له عن زمن التبلور الثانوي. يشير مصطلح "أولي" هنا إلى أول نواة تتشكل، بينما النوى الثانوية هي نوى بلورية ناتجة عن بلورة موجودة مسبقًا. يصف التبلور الأولي الانتقال إلى طور جديد دون الاعتماد على وجود هذا الطور مسبقًا، إما لأنه أول نواة تتشكل لهذا الطور، أو لأن النواة تتشكل بعيدًا عن أي جزء موجود مسبقًا من الطور الجديد. يُعد التبلور الثانوي مهمًا بشكل خاص في دراسة التبلور، وهو عبارة عن تشكل نوى بلورة جديدة ناتجة مباشرة عن بلورات موجودة مسبقًا. ^{[ 16 ]}

على سبيل المثال، إذا كانت البلورات في محلول وتعرض النظام لقوى قص، فقد تنفصل نوى بلورية صغيرة عن البلورة النامية، مما يزيد من عدد البلورات في النظام. لذا، فإن كلاً من التكوين الأولي والثانوي للنوى يزيد من عدد البلورات في النظام، لكن آلياتهما مختلفة تمامًا، ويعتمد التكوين الثانوي للنوى على وجود البلورات مسبقًا.

عادةً ما يكون من الصعب دراسة عملية تكوين البلورات تجريبياً. فالنواة مجهرية، وبالتالي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رصدها مباشرةً. وفي أحجام السوائل الكبيرة، تحدث عادةً عدة عمليات تكوين، ويصعب فصل تأثيرات التكوين عن تأثيرات نمو الطور المتكون. ويمكن التغلب على هذه المشاكل بالعمل مع قطرات صغيرة. ولأن التكوين عملية عشوائية ، يلزم استخدام العديد من القطرات للحصول على إحصائيات حول عمليات التكوين.

يُعرض على اليمين مثال لمجموعة بيانات التكوين النووي. وهي خاصة بالتكوين النووي عند درجة حرارة ثابتة، وبالتالي التشبع الفائق للطور البلوري في قطرات صغيرة من القصدير السائل فائق التبريد؛ وهذا من عمل باوند ولا مير. ^{[ 17 ]}

يحدث التنوي في قطرات مختلفة في أوقات مختلفة، لذا فإن النسبة ليست دالة خطوة بسيطة تنخفض فجأة من واحد إلى صفر عند لحظة معينة. يمثل المنحنى الأحمر مطابقة لدالة جومبيرتز مع البيانات. هذه نسخة مبسطة من النموذج الذي استخدمه باوند ولا مير لنمذجة بياناتهما. ^{[ 17 ]} يفترض النموذج أن التنوي يحدث بسبب جزيئات الشوائب في قطرات القصدير السائل، ويفترض تبسيطًا أن جميع جزيئات الشوائب تُنتج التنوي بنفس المعدل. كما يفترض أن هذه الجزيئات موزعة توزيع بواسون بين قطرات القصدير السائل. تشير قيم المطابقة إلى أن معدل التنوي الناتج عن جزيء شوائب واحد هو 0.02/ثانية، وأن متوسط ​​عدد جزيئات الشوائب لكل قطرة هو 1.2. تجدر الإشارة إلى أن حوالي 30% من قطرات القصدير لا تتجمد أبدًا؛ وتستقر البيانات عند نسبة تقارب 0.3. في هذا النموذج، يُفترض أن السبب هو أن هذه القطرات، مصادفةً، لا تحتوي على أي جسيم شوائب، وبالتالي لا يحدث تكوّن غير متجانس للنوى. ويُفترض أن التكوّن المتجانس للنوى ضئيل للغاية على النطاق الزمني لهذه التجربة. تتجمد القطرات المتبقية بطريقة عشوائية، بمعدل 0.02/ثانية إذا احتوت على جسيم شوائب واحد، و0.04/ثانية إذا احتوت على اثنين، وهكذا.

هذه البيانات ليست سوى مثال واحد، لكنها توضح السمات المشتركة لتكوين البلورات من حيث وجود دليل واضح على التكوين غير المتجانس، وأن التكوين عشوائي بشكل واضح .

يُعدّ تجمّد قطرات الماء الصغيرة إلى جليد عمليةً مهمة، لا سيما في تكوين السحب وديناميكيتها. ^{[ 1 ]} لا يتجمّد الماء (عند الضغط الجوي) عند درجة حرارة صفر  مئوية، بل عند درجات حرارة تميل إلى الانخفاض مع انخفاض حجم الماء وزيادة تركيز المواد الكيميائية الذائبة فيه. ^{[ 1 ]}

وبالتالي، فإن قطرات الماء الصغيرة، كما هو الحال في السحب، قد تظل سائلة عند درجات حرارة أقل بكثير من 0  درجة مئوية.

يُظهر الشكل على اليمين مثالاً لبيانات تجريبية حول تجمد قطرات الماء الصغيرة. يوضح الرسم البياني نسبة قطرات الماء التي لا تزال سائلة، أي لم تتجمد بعد، من بين مجموعة كبيرة من قطرات الماء، كدالة لدرجة الحرارة. تجدر الإشارة إلى أن أعلى درجة حرارة تتجمد عندها أي من القطرات تقارب -19  درجة مئوية، بينما تتجمد آخر قطرة عند حوالي -35  درجة مئوية. ^{[ 18 ]}

• تتشكل السحب عندما يبرد الهواء الرطب (غالباً بسبب ارتفاعه ) فتتكون قطرات ماء صغيرة من الهواء المشبع. ^{[ 1 ]} تقل كمية بخار الماء التي يحملها الهواء مع انخفاض درجات الحرارة . يبدأ البخار الزائد بالتكوّن وتشكيل قطرات ماء صغيرة تُشكل السحابة. عملية تكوّن قطرات الماء السائل غير متجانسة، وتحدث على جزيئات تُعرف بنوى تكثيف السحب . تلقيح السحب هو عملية إضافة نوى تكثيف اصطناعية لتسريع تكوّن السحب.
• تتشكل فقاعات ثاني أكسيد الكربون بعد فترة وجيزة من تحرير الضغط من وعاء يحتوي على سائل مكربن .
• يمكن أن تحدث عملية التبلور أثناء الغليان في السائل نفسه إذا انخفض الضغط بحيث يصبح السائل فائق التسخين بالنسبة لنقطة الغليان التي تعتمد على الضغط. في أغلب الأحيان، تحدث عملية التبلور على سطح التسخين، في مواقع التبلور. عادةً ما تكون مواقع التبلور عبارة عن شقوق صغيرة حيث يوجد سطح حر بين الغاز والسائل، أو بقع على سطح التسخين ذات خصائص ترطيب منخفضة . يمكن تحقيق تسخين فائق كبير للسائل بعد إزالة الغازات منه، شريطة أن تكون أسطح التسخين نظيفة وناعمة ومصنوعة من مواد جيدة الترطيب بالسائل.
• تعمل بعض أدوات تقليب الشمبانيا من خلال توفير العديد من مواقع التكوين عبر مساحة سطح عالية وزوايا حادة، مما يسرع من إطلاق الفقاعات ويزيل الكربنة من النبيذ.
• يُعدّ انفجار مشروب دايت كوك وحلوى مينتوس مثالاً آخر. إذ يوفر سطح حلوى مينتوس مواقع لتكوين فقاعات ثاني أكسيد الكربون من المشروبات الغازية.
• تعتمد كل من غرفة الفقاعات وغرفة السحاب على التكوين النووي للفقاعات والقطرات، على التوالي.

• تُعدّ عملية تكوّن الجليد أكثر عمليات التبلور شيوعًا على سطح الأرض. لا يتجمد الماء السائل عند درجة حرارة صفر  مئوية إلا إذا كان هناك جليد موجود مسبقًا؛  إذ يتطلب الأمر تبريدًا أقل بكثير من الصفر المئوي لتكوين نواة الجليد وتجمد الماء. على سبيل المثال، يمكن لقطرات صغيرة من الماء النقي جدًا أن تبقى سائلة حتى درجة حرارة أقل من -30  درجة مئوية، على الرغم من أن الجليد هو الحالة المستقرة عند درجات حرارة أقل من الصفر المئوي  . ^{[ 1 ]}
• العديد من المواد المنتجة بلورية، ولكنها تكون في حالة سائلة خلال المرحلة الأولية من التصنيع، على سبيل المثال، الحديد الصلب البلوري المصنوع من الحديد السائل المصبوب في قالب، ولذلك تُدرس عملية تكوين النوى البلورية للمواد أثناء التصنيع على نطاق واسع في مجال يُعرف باسم علم وهندسة المواد . ^{[ 19 ] [ 20 ]}
• يُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية في تطبيقات مثل تحضير المساحيق المعدنية فائقة التشتت التي يمكن أن تعمل كمحفزات. على سبيل المثال، يحفز البلاتين المترسب على جزيئات _ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية تحلل الماء. ^{[ 21 ]}
• يُعد هذا عاملاً مهماً في صناعة أشباه الموصلات، حيث تتأثر طاقة فجوة النطاق في أشباه الموصلات بحجم التجمعات النانوية. ^{[ 22 ]}

بالإضافة إلى تكوين البلورات ونموها، كما هو الحال في الزجاج غير البلوري، يُعدّ تكوين رواسب الشوائب ونموها في البلورات عند حدود الحبيبات وبينها ذا أهمية بالغة في التصنيع. فعلى سبيل المثال، في المعادن، يلعب تكوين الرواسب في الحالة الصلبة ونموها دورًا هامًا، كتحسين الخواص الميكانيكية مثل الليونة، بينما في أشباه الموصلات، يلعب دورًا هامًا، كاحتجاز الشوائب أثناء تصنيع الدوائر المتكاملة. ^{[ 23 ]} في الصناعة النووية، يؤدي تكوين الرواسب وفقاعات الهيليوم في الفولاذ بفعل الإشعاع إلى تدهور كبير في الخواص الميكانيكية. تشمل هذه التغيرات المادية انتفاخ الفراغات، والتقصف النيوتروني ، والزحف. وهذا يُسهم في الحد من العمر التشغيلي للمفاعل . ^{[ 24 ]}