核形成

生物学用語辞典

核形成

英訳・(英)同義/類義語：nucleation

タンパク分子などが会合する場合で、会合した分子数が多いほど会合しやすくなる場合、最初の階交代が形成されるまでに時間がかかる。この状態。

「生物学用語辞典」の他の用語

現象や動作行為に関連する概念：

核分裂  核型  核小体形成体  核形成  核相  核相交代  核融合

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核生成

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/04/05 14:19 UTC 版)

Rock candy。過飽和の砂糖水につけた棒の表面で核生成が起こり、大きな結晶が成長する。

核生成（Nucleation）とは、非常に局所的な領域で、異なる熱力学的相が出現することである。核形成とも呼ばれる。例えば、液体中では結晶・ガラス領域・気体の泡などの発生が実例として挙げられる。一般に知られている例としてはメントスガイザーがある。空孔クラスタの発生にも関わっており、半導体産業などで重視される。飽和水蒸気から液滴が形成される現象も核生成の一種であり（雲凝結核）、人工降雨のプロセスや泡箱・霧箱のような実験器具とも深く関連している。例外は存在するが（電気化学的核生成）、ほとんどの核生成過程は物理的な現象であり、化学的現象ではない。

通常、この現象は核生成部位と呼ばれる、流体と表面が接している場所で起こる。懸濁物や微小な気泡の表面でも発生する。このようなタイプの核生成は不均質核生成 (heterogeneous nucleation) と呼ばれるが、明確な核生成部位のない均質核生成 (homogeneous nucleation) も存在する。均質核生成は自発的・ランダムに起こるが、これには過熱・過冷却が必要である。

例

• 高層大気では雲凝結核の供給量が少ないことなど、気象学では重要な概念である（人工降雨も参照）。
• ナノ粒子の結晶化過程に関連しており、気相プロセスでの合成において重要である。
• 天然・人工を問わず、均質な溶液からの結晶化プロセスは核生成から始まる。
  • 酢酸ナトリウムを用いたエコカイロでは、金属板を折り曲げる際のキャビテーションを核生成中心として利用し、結晶化を引き起こしている。

指に付いたCO₂の泡。

• 炭酸水が常圧下に置かれると、すぐに核生成により二酸化炭素の泡が発生する。このように核生成は界面の存在によって促進され（不均質核生成）、沸騰石やRock candy（上の写真）などの例がある。メントスガイザー（メントスコーラ）は劇的な事例である。
  • シャンパンステアラーにはこれを応用した製品があり、表面積や角の多い形状によって炭酸を効率的に逃すことができる。
• 液体の圧力が減少した場合、沸点が低下して過熱状態となり、液体のバルク部分で核生成が起きることがある。だがこれよりも、濡れ性の低い容器の表面の亀裂などに小さな気泡が付着し、ここが核生成部位となることが多い。このため、過熱を起こすには容器の表面が滑らかで濡れやすく、液体が脱気されていることが必要になる。
  • 膜沸騰やライデンフロスト効果はバルク部分での均質核生成によって起きる現象である。
• 重合体・合金・セラミックスなどで重要な概念である。
  • 化学・生物物理学では、重合過程の中間体としての多量体の形成にこの言葉が用いられる。これは結晶化やアミロイド形成を説明するモデルとして有用である。
  • 分子生物学では、単量体の小さなクラスタから急速な重合が起こり、ポリマー構造が生成される際の用語として用いられる。 例えば、2分子のアクチンの結合は緩いが、3分子目が結合することで安定化する。この三量体にさらに分子が結合し、核生成部位ができる。これは微小繊維の重合過程において律速段階となっている。

機構

均質核生成

均質な溶液中での核生成は起こりにくい過程であるが、均質核生成と呼ばれる。形成された核は新しい相との境界面を提供することになる。

液温が不均質核生成温度（融点）を下回るが、均質核生成温度（純物質の凝固点）を上回っている状態のことを、過冷却という。これはアモルファス固体のような準安定状態の構造を作る時に役立つが、プロセス化学や鋳造においては望ましくない状態である。過冷却により過飽和状態が生じ、核生成の駆動力となる。これは形成された固体内の圧力が液体の圧力より小さい場合に起こり、液体と固体間での単位体積あたりの自由エネルギー $G_{v}$

横軸は半径、縦軸は自由エネルギー変化。臨界半径は r*で示されている

臨界半径より大きいクラスタへの分子の付加では自由エネルギーが獲得されるため、これ以降のクラスタの成長は核生成ではなく拡散によって制限されることになる。

臨界半径のクラスタの生成に必要な自由エネルギーは

$\Delta G^{*}={\frac {16\pi \sigma ^{3}}{3(G_{v})^{2}}}$

エネルギー障壁の差

エネルギー障壁が低下しているため、必要な過冷度も小さくなる。接触角がクラスタ形状に影響するために、臨界半径は変化しないがクラスタの体積は小さくて済む。

不均質核生成の場合は、壁と流体が離れることで解放されるエネルギーも重要である。例えばペットボトルの表面にCO₂の泡が形成されるような場合、水とボトルの接触面が離れることで解放されるエネルギーは、泡と水・泡とボトルの接触面を形成するエネルギーとなる。同じ現象が沈殿粒子の結晶粒界の形成で見られる。また、これは均質核生成に依存する現象である、金属の時効を妨げる。

核生成速度

核生成速度 I は臨界クラスタの平均数 n* とクラスタの拡散速度 $\beta$

核生成速度

温度が低すぎると拡散速度が低いため、核生成部位に到達する粒子も少なくなり、核生成速度は遅くなる。だが、温度が高すぎると分子が核から抜けだしてしまい、やはり核生成速度は遅くなる。

定常状態での核形成に要する時間 $\tau$

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核形成

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「血盟団事件」の記事における「核形成」の解説

更に古内は、復職して赴任していた前浜小学校で、同僚の照沼操 (後の血盟団員) を井上に引き合わせた。照沼も護国堂に通い、日召の弟子になった。 その他、古内は日召の存在を知らしめるべく周辺の学校の教員に説いて回るようになりだした。修行の中から、古内は加持祈祷の方法を身につけており、自然発生的に、古内のもとに祈祷を求める人たちがやってくるようになった。その中に、地元の有力者だった黒澤大二 (後の血盟団員) の伯父がいた。この人物が日蓮宗に目覚め、「前浜修養団」という「修養」を目的とした会を月一回開くようになり、そこへ井上を招くようになったことから、井上を核とした集団が形成され始めた。 黒澤大二 (後の血盟団員) は、1929年 (昭和4年) 、天狗連という名の素人演芸集団を作り村に活気を作ろうとしていた。この天狗連のメンバーが、農閑期を利用して農業や一般教養の勉強のため、前浜小学校で始まった補習学校に通うことになった。ここで、補習学校の国語担当だった古内と黒澤の間に関係ができた。 更に、小沼正 (後の血盟団員、井上準之助暗殺の実行犯) も古内のグループに加わるようになった。 天狗連は唱題が活動の中心となり、深夜になっても大声で題目を唱えたため近所から騒音で苦情が出てくるようになった。活動場所だった黒澤の実家の亀の湯での活動はこれ以上は無理になったので、天狗連のメンバーの一人だった菱沼徳松が自宅を活動場所に提供した。この徳松の息子が菱沼五郎 (後の血盟団員、団琢磨暗殺の実行犯) で、当時就職活動のため帰省していた。 川崎長光は、小沼・黒澤と親戚関係で、特に小沼とは仲が良かったことから血盟団に参加することになった。井上が上京する頃に、川崎は東京での活字販売所の仕事を辞め海軍志願のために帰郷し、徴兵検査を受けたが不合格となり失意の中にあった。川崎はこの時期に小沼と再会した。小沼は川崎を同志に加えるために熱心に護国堂に誘い、当初は関心を示さなかった川崎に法華経を勧めた。川崎は次第に井上に心酔するようになり、以後井上一派の中核を担う人物になった。