Language
Country/Area
No result found
وراء تحلل المادة: ما الذي يجعل المخاليط السائلة تنفصل بشكل طبيعي؟
في مجال علم المواد، يعد "فصل الطور التلقائي" ظاهرة رائعة. على وجه الخصوص، آلية "التحلل الدائري المغزلي" هي سلوك طور ديناميكي حراري يؤدي إلى فصل الطور النقي تلقائيًا إلى مرحلتين دون عملية النواة. عند حدوث التحلل، لا توجد حواجز ديناميكية حرارية أمام فصل الطور، لذا فإن أحداث النواة الناتجة عن التقلبات الديناميكية الحرارية ليست مطلوبة لتحفيز فصل الطور.
تُرى هذه الظاهرة بشكل شائع في مخاليط المعادن أو البوليمرات التي تنفصل إلى مرحلتين متعايشتين، كل منهما غني بمكون واحد وفقير نسبيًا في الآخر.
يختلف التحلل الدائري المغزلي عن عمليات التنوي والنمو التقليدية. في الحالة الأخيرة، يجب أن يستغرق النظام وقتًا للتغلب على حاجز النواة، ولكن التحلل البيضاوي المغزلي يتميز بعدم وجود مثل هذا الحاجز. بمجرد حدوث تقلبات صغيرة، يتم تضخيم تلك التقلبات المتزايدة تدريجيًا على الفور. في الوقت نفسه، تنمو مرحلتا التحلل الدائري المغزلي بشكل موحد في جميع أنحاء النظام، بينما يبدأ التنوي من نقاط قليلة محدودة.
الأساس الديناميكي الحراري للتحلل الدائري
يحدث التحلل الدائري المغزلي عندما تصبح المرحلة المتجانسة غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية. في هذه الحالة، تقع المرحلة غير المستقرة عند الحد الأقصى لقيمة الطاقة الحرة. في المقابل، تحدث عمليات التنوي والنمو عندما تظل المرحلة المتجانسة عند الحد الأدنى المحلي من الطاقة الحرة. هنا، هناك نظام ثنائي الطور آخر لديه طاقة حرة أقل ولكنه مقاوم بشكل موحد إلى حد ما للتقلبات الأصغر. وفقًا لتعريف جيه ويلارد جيبس، يجب أن تكون المرحلة المستقرة قادرة على مقاومة التغييرات الصغيرة والبقاء مستقرة.
خلفية تاريخية
في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي، أبلغ برادلي عن ظاهرة التردد الجانبي التي لوحظت في أنماط حيود الأشعة السينية لسبائك النحاس والنيكل والحديد. بعد ذلك، أظهرت دراسات أخرى أجراها دانيال وليبسون أن هذه الترددات الجانبية يمكن تفسيرها من خلال تعديل دوري للتركيب على طول الاتجاه. وقد أظهرت الدراسات أن الطول الموجي المشكل بواسطة هذا التركيب يبلغ حوالي 100 أنجستروم (10 نانومتر). يشير حدوث هذه الظاهرة إلى أن الانتشار التصاعدي أو معامل الانتشار السلبي يحدث في سبيكة متجانسة في البداية.
تم اقتراح أول عمل لشرح هذه الدورية من قبل ماتس هيلرت في أطروحته للدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1955. وقد اشتق معادلة التدفق للانتشار أحادي البعد، والتي تضمنت العلاقة بين طاقة السطح البيني والتفاعلات بين المراحل والمكونات.
وضع بحث هيليرت الأساس لنموذج متواصل أكثر مرونة تم تطويره بواسطة جون دبليو كان وجون هيليارد والذي أخذ في الاعتبار تأثيرات سلالة التوافق والطاقة المتدرجة. وهذا مهم بشكل خاص في شكل تحلل المواد متباينة الخواص.
نموذج كان-هيليارد والتحلل الدائري
إن معادلة كان-هيليارد هي صيغة فعالة تصف الطاقة الحرة في ظل تقلبات صغيرة. عندما يتم تقييم تقلبات السعة الصغيرة، يمكن تقريب الطاقة الحرة لها على أنها توسع يتمركز حول تدرج التركيز. يتيح لنا هذا الأسلوب استخدام تعبير تربيعي لوصف التغير في الطاقة الحرة.
شكل هذه المعادلة هو:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVحيثfbهي الطاقة الحرة لكل وحدة حجم من حل موحد، وκهي معلمة تتحكم في تكلفة الطاقة المجانية لتغيير التركيز.
عندما نرغب في دراسة استقرار نظام ما، مثل التحليل الفني المتعلق بتقلبات السعة الصغيرة، نحتاج إلى تقييم التغيرات في الطاقة الحرة التي يمكن أن تجلبها تقلبات التركيز هذه. وفقًا لنظرية كان-هيليارد، عندما يصبح تغير الطاقة الحرة سالبًا، يحدث التحلل الدائري المغزلي ويصبح اضطراب ناقل الموجة المنخفضة غير مستقر تلقائيًا.
ديناميكيات التحلل الدائري الدوراني
يمكن نمذجة ديناميكيات التحلل الدائري الدوراني من خلال معادلة الانتشار الموسعة. يتم التعبير عن المعادلة على النحو التالي: ∂c/∂t = M ∇^2μ، حيث يمثل μ الإمكانات الكيميائية وM هو معدل التدفق . تعتمد هذه المعادلة على استغلال التعريف الإيجابي لمعدل التدفق وتفسيره على أنه نسبة التدفق إلى التدرج المحلي للجهد الكيميائي.
استنادًا إلى جميع المعلومات المذكورة أعلاه، يعد التحلل الدائري المغزلي ظاهرة مهمة للغاية وتوجد على نطاق واسع في مواد مختلفة مثل المعادن والبوليمرات. يواصل العلماء استكشاف هذه الآلية من أجل الحصول على فهم أعمق لتصميم المواد وتحسين الأداء.
هل فكرت يومًا في كيفية تأثير التحلل الدائري على خصائص المواد وتطبيقاتها في علوم المواد المستقبلية؟
