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Schéma du mûrissement d'Ostwald

Le mûrissement d'Ostwald est un phénomènre observé dans des mélanges solides (alliages), gels et colloïdes, et qui implique la dynamique de changement d'un système hétérogène. Dans un système composé de deux phases tendant à se séparer, les petits cristaux ou goutelettes de la phase minoritaire s'évaporent et leurs composants rejoignent de plus grand domaines. Ainsi, la taille moyenne des domaines de phase minoritaire augmente avec le temps. C'est un des mécanismes possibles de croissance de domaines.

La dissolution de petits cristaux à la faveur de plus grands fût d'avord observée par Wilhelm Ostwald en 1896. Le mûrissement d'Ostwald est générallement ovservé dans les emulsions d'eau dans l'huile alors que la flocculation est observée généralement dans des émulsions d'huile dans l'eau.

Mécanisme

Ce processus, favorable thermodynamiquement, se produit car l'énergie de grands domaines est plus faible (par unité de masse) que l'énergie de petits domaines.

En effet, les molécules à la surface des domaines sont moins stables qu'à l'intérieur.

Cubic crystal structure (sodium chloride)

Soit un cristal solide d'atomes : tous les atomes à l'intérieur sont reliés à six voisins, alors que les atomes en surface sont reliés à cinq atomes ou moins, et donc moins stables (une liaison étant favorable thermodynamiquement). Dans les grands domaines, il y a proportionellement moins de molécules à la surface que dans des petits domaines, et ces derniers seront donc moins stables. A cause de l'agitation thermique, tous les domaines échangent des molécules avec l'exterieur, mais les petits domaines perdront des molécules plus facilement que les grands, et, ainsi, disparaitron au profit de ces derniers. Dans la limite d'un temps infini, il ne resterait qu'un seul grand domaine sphérique (sans compter quelques molécules et domaines de petite taille à cause de l'entropie).

En 1961, Lifshitz et Slyozov , et, séparément, Wagner ont analysé mathématiquement le mûrissement d'Ostwald, la limite où la diffusion était le phénomène de transport dominant.

Leurs travaux ont étés présentés de façon simplifiée par Bray . Il commence par s'intéresser l'évaporation d'un domaine en solution et montre que 

Échec de l’analyse (erreur de syntaxe): {\displaystyle R^2 \dot R \propto - \gamma </gamma>, où {| |- | align = "right" | <math> R } || = || rayon du domaine |- | align = "right" | ${\dot {R}}$ || = || dérivée par rapport au temps de $R$ |- | align = "right" | $\gamma$ || = || tension de surface du domaine |}

Il généralise ensuite à une assemblée de particules donc les plus petites s'évaporent (selon la loi mentionée) et les plus grandes croissent. Il définit pour ça $R_{c}$, le rayon moyen des particules, et décrit la dynamique des domaines uniquement en fonction de $R/R_{c}$, soit en supposéant l'invariance d'échelle. Il trouve ainsi que :

Échec de l’analyse (erreur de syntaxe): {\displaystyle R_c\propto ( \gamma t )^{1/3} </gamma> (où <math>t} représente le temps.

Ce résultat est largement universel et beaucoup d'expériences et de simulations l'ont confirmé, y compris pour des systèmes à décomposition spinodale.

Although LSW theory and Ostwald ripening were intended for solids ripening in a fluid, Ostwald ripening is also observed in liquid-liquid systems, for example, in an oil-in-water emulsion polymerization. In this case, Ostwald ripening causes the diffusion of monomers (i.e. individual molecules or atoms) from smaller droplets to larger droplets due to greater solubility of the single monomer molecules in the larger monomer droplets. The rate of this diffusion process is linked to the solubility of the monomer in the continuous (water) phase of the emulsion. This can lead to the destabilization of emulsions (for example, by creaming and sedimentation).

Specific examples

Oil droplets in pastis mixed with water grow by Ostwald ripening.

An everyday example of Ostwald ripening is the re-crystallization of water within ice cream which gives old ice cream a gritty, crunchy texture. Larger ice crystals grow at the expense of smaller ones within the ice cream, creating a coarser texture.

Another gastronomical example is in the ouzo effect, where the droplets in the cloudy microemulsion grow by Ostwald ripening.

In geology, it is the textural coarsening, aging or growth of phenocrysts and crystals in solid rock which is below the solidus temperature. It is often ascribed as a process in the formation of orthoclase megacrysts, as an alternative to the physical processes governing crystal growth from nucleation and growth rate thermochemical limitations.

In chemistry, the term refers to the growth of larger crystals from those of smaller size which have a higher solubility than the larger ones. In the process, many small crystals formed initially slowly disappear, except for a few that grow larger, at the expense of the small crystals. The smaller crystals act as fuel for the growth of bigger crystals. Limiting Ostwald ripening is fundamental in modern technology for the solution synthesis of quantum dots. Ostwald ripening is also the key process in the digestion of precipitates, an important step in gravimetric analysis. The digested precipitate is generally purer, and easier to wash and filter.

Ostwald ripening can also occur in emulsion systems, with molecules diffusing from small droplets to large ones through the continuous phase. When a miniemulsion is desired, an extremely hydrophobic compound is added to stop this process from taking place.

See also

• Rock microstructure
• Kelvin equation
• Kirkendall effect
• Critical radius
• Solubility_equilibrium#Particle_size_effect
• Flocculation
• Aggregation
• Coalescence

External links

• Ostwald Ripening a 3D Kinetic Monte Carlo simulation