Nucleation Theory

یکی از بارزترین پدیده ها در فیزیک ماده متراکم، وقوع انتقال ناگهانی در ساختار یک ماده در دماها یا فشارهای معین است. اینها انتقال مرحله درجه اول هستند و نمونه هایی مانند انجماد آب در زندگی روزمره آشنا هستند. شرایطی که در آن دگرگونی رخ می دهد گاهی اوقات می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال، نقطه انجماد آب همیشه 0 درجه سانتیگراد نیست، اما اگر مایع به اندازه کافی خالص باشد و با دقت مورد استفاده قرار گیرد، می توان آن را به میزان قابل توجهی خنک کرد. دلیل این پدیده هسته‌زایی است.

این تک‌نگاره تمام مسیرهای اصلی در دسترس پژوهش نظری پدیده‌های هسته‌زایی (مدل‌های پدیدارشناسی، نظریه‌های نیمه پدیدارشناختی، نظریه‌های تابعی چگالی، رویکردهای میکروسکوپی و نیمه میکروسکوپی) را پوشش می‌دهد. تاکید بر تشکیل قطرات مایع از یک بخار ناپایدار. همچنین، کاربرد این رویکردهای مختلف را برای مسائل تجربی مرتبط نشان می‌دهد.

علی‌رغم آشنایی با پدیده‌های درگیر، هنوز محاسبه دقیق هسته‌زایی غیرممکن است، زیرا ویژگی‌ها و سینتیک‌های دختر وجود دارد. فاز به اندازه کافی شناخته شده نیستند. نظریه های موجود مبتنی بر نظریه هسته زایی کلاسیک به طور کلی روند رفتار را به درستی توضیح داده اند. با این حال، آنها اغلب به طور شگفت انگیزی در توضیح داده های جدید شکست می خورند، به ویژه در مورد هسته سازی باینری یا، به طور کلی، چند جزئی. چالش فعلی این کتاب فراتر رفتن از چنین مدل‌های کلاسیک و ارائه یک نظریه رضایت‌بخش‌تر با استفاده از نظریه تابعی چگالی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری میکروسکوپی به منظور توصیف ویژگی‌های خوشه‌های کوچک است. همچنین، مدل‌های نیمه پدیدارشناختی پیشنهاد شده‌اند که سعی می‌کنند ویژگی‌های خوشه‌های کوچک را به ویژگی‌های شناخته شده فازهای حجیم مرتبط کنند.

این رساله مقدمه و همچنین خلاصه ای است برای محققان فیزیک ماده چگال نرم و فیزیک شیمی، دانشجویان فارغ التحصیل و فوق لیسانس در فیزیک و شیمی که شروع به تحقیق در زمینه هسته زایی می کنند، و همچنین برای متخصصان تجربی. مایلند درک بهتری از تلاش‌هایی که برای محاسبه داده‌های خود انجام می‌شود به دست آورند.

One of the most striking phenomena in condensed matter physics is the occurrence of abrupt transitions in the structure of a substance at certain temperatures or pressures. These are first order phase transitions, and examples such as the freezing of water are familiar in everyday life. The conditions at which the transformation takes place can sometimes vary. For example, the freezing point of water is not always 0°C, but the liquid can be supercooled considerably if it is pure enough and treated carefully. The reason for this phenomenon is nucleation.

This monograph covers all major available routes of theoretical research of nucleation phenomena (phenomenological models, semi-phenomenological theories, density functional theories, microscopic and semi-microscopic approaches), with emphasis on the formation of liquid droplets from a metastable vapor. Also, it illustrates the application of these various approaches to experimentally relevant problems.

In spite of the familiarity of the involved phenomena, it is still impossible to calculate nucleation accurately, as the properties and the kinetics of the daughter phase are insufficiently well known. Existing theories based upon classical nucleation theory have on the whole explained the trends in behavior correctly. However they often fail spectacularly to account for new data, in particular in the case of binary or, more generally, multi-component nucleation. The current challenge of this book is to go beyond such classical models and provide a more satisfactory theory by using density functional theory and microscopic computer simulations in order to describe the properties of small clusters. Also, semi-phenomenological models are proposed, which attempt to relate the properties of small clusters to known properties of the bulk phases.

This monograph is an introduction as well as a compendium to researchers in soft condensed matter physics and chemical physics, graduate and post-graduate students in physics and chemistry starting on research in the area of nucleation, and to experimentalists wishing to gain a better understanding of the efforts being made to account for their data.