El crecimiento de cristales es un fenómeno muy complejo que comprende tanto aspectos termodinámicos, relacionados al equilibrio químico entre el cristal y el ambiente próximo, como aspectos de la cinética del crecimiento y de sus mecanismos.
La construcción de las estructuras periódicas de los cristales se produce a través de la formación de un agregado inicial y de su posterior crecimiento. La formación de nuevos individuos cristalinos en el interior de un líquido o de una solución se denomina nucleación.
La nucleación corresponde a la creación de una nueva fase cristalina en el interior de una disolución. En un sistema sobresaturado libre de partículas extrañas la nucleación se denomina homogénea dado que se produce a partir de un medio físicamente homogéneo. Inicialmente estos crecen sin interferir entre sí pero, cuando entran en contacto debido al aumento de sus dimensiones, dejan de crecer en las zonas de contacto, mientras que se deposita material nuevo sobre las superficies libres; de este modo se forma un agregado policristalino en lugar de un cristal único.
Al aumentar la sobresaturación en una disolución se vuelve cada vez más probable los eventos de nucleación, hasta que se alcance un nivel de sobresaturación que la frecuencia de nucleación sea apreciable, con la aparición en un tiempo breve de núcleos, se aprecian nuevos cristales. A valores muy elevados de sobresaturación se producirá una nucleación explosiva, con la formación de miles o millones de nuevos individuos cristalinos que, debiendo competir por el exceso de soluto, resultará de tamaño pequeño, aun al final del proceso de crecimiento; en esos casos se habla de precipitación más que de cristalización.
Dado que es casi imposible tener ambientes de crecimiento totalmente libres de partículas extrañas, normalmente se produce la nucleación heterogénea, que implica la nucleación ayudada por cuerpos extraños presentes en el interior de la fase sobresaturada, incluidas las paredes del recipiente usado para el crecimiento.
Por medio de esta nucleación se disminuye la barrera potencial para la formación de núcleos, ofreciendo superficies sobre las cuales las moléculas de soluto se pueden agregar. La disminución de la energía potencial de activación implica una reducción de la sobresaturación mínima para la cual la frecuencia de nucleación se vuelve perceptible. Mientras más eficientemente interaccionen las superficies extrañas con las moléculas de soluto, menor será la barrera a superar y mayor será la probabilidad de eventos de nucleación.
En la práctica, se va desde el caso más general de interacciones sin relaciones estructurales específicas entre la superficie de las partículas extrañas y las moléculas del núcleo cristalino, al caso opuesto de la adsorción de las moléculas de soluto sobre las superficies extrañas que poseen relaciones estructurales precisas y de orientación con el cristal naciente. Este último fenómeno toma el nombre de epitaxia.
En un ambiente sobresaturado, el flujo de unidades de crecimiento (átomos, iones o moléculas) hacia las caras del cristal es superior al flujo en condiciones de equilibrio termodinámico, y el número de unidades de crecimiento que se “anclan” a la superficie del cristal es superior al número de las que la abandonan. El resultado neto es el avance de las caras en forma paralela a sí mismas, es decir, el crecimiento del cristal.