Примеры зародышей фазового перехода, динамика которых препятствует их собственному росту?

Многие кристаллы растут сразу после запуска, но запустить их может быть трудно.

Вода обладает рядом необычных свойств. Во-первых, лед менее плотный, чем вода. Предположим, у вас есть чистая вода. Соседние молекулы воды притягиваются друг к другу при разделении. Когда они слишком близко, они отталкиваются. Вы можете описать это как силу или как потенциальную энергию. Существует расстояние, на котором потенциальная энергия минимальна.

В жидкой воде молекулы обладают изрядной кинетической энергией. Вода постоянно образует небольшие упорядоченные группы. Но сразу расстаются.

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

Это похоже на кристаллы льда. Молекулы располагаются в другой, более обособленной конфигурации. Существует иная, более низкая, минимальная потенциальная энергия. Эта структура устойчива при низких температурах. Но при более высоких температурах кинетическая энергия молекул достаточно сильна, чтобы разорвать эти связи.

Вода замерзает при$0$C. Но он наиболее плотный в$4$C. Между этими температурами небольшие группы молекул образуют структуры, подобные льду, которые немедленно распадаются, а также структуры, подобные воде. Около$0$C, существует достаточно мгновенных льдоподобных структур, чтобы сделать воду менее плотной.

И все же лед при этой температуре не образуется. На самом деле, можно переохладить воду - охладить ее ниже$0$С в жидком состоянии. Как только в переохлажденной воде начинает образовываться лед, вода мгновенно замерзает. Но что-то может помешать ему начать образовывать кристаллы льда.

---

Молекулам воды энергетически выгодно находиться рядом друг с другом в водоподобной структуре. Также в ледяной структуре. Но менее благоприятно для водоподобной структуры находиться рядом со льдоподобной структурой. Это более высокая энергетическая конфигурация.

Когда объемный лед встречается с объемной водой, почти каждая молекула находится внутри льда или воды. Относительно немногие находятся прямо на поверхности.

Прямо в$0$C лед и вода находятся в равновесии. Столько же молекул вырывается изо льда и становится водой, сколько вымерзает из воды и становится льдом. При более низкой температуре молекулы воды с большей вероятностью вмерзнут в лед. Лед растет.

А если бы льда не было и температура упала? Небольшие ледяные структуры постоянно формируются случайным образом. Они содержат, возможно, десятки молекул в льдоподобном твердом теле. Но в маленькой сфере или подобном шарике внутри мало молекул, а много на поверхности. Энергия такого шарика высока. Он быстро распадается на жидкость.

Лед не может начать формироваться до тех пор, пока не сформируется сгусток, который будет настолько большим, что низкая энергия большей внутренней части превысит высокую энергию поверхности. Как только это произойдет, твердое тело будет расти.

Это может произойти несколькими способами. Во-первых, температура может упасть так низко, что твердая форма сильно преобладает над жидкой. Даже маленькая капля может преодолеть поверхностную энергию.

Во-вторых, вода может контактировать с поверхностью. Даже если поверхность не сильно притягивает воду, она может иметь дефекты или загрязнения там, где притяжение сильнее. Капля может образоваться там без такого большого энергетического штрафа.

В-третьих, простое колебание воды, например, ее встряхивание, может способствовать мгновенному образованию более крупного пятна.

---

Этот пример говорил о воде, которая является необычным веществом. Но многие вещества могут иметь сходное поведение при зарождении кристаллов.