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arum ist das Phänomen der „Segregation“ in Materialien so mysteriös und kann die Eigenschaften von Materialien beeinflussen
In der Materialwissenschaft wirft das Phänomen der Entmischung für Wissenschaftler und Ingenieure noch immer viele unbeantwortete Fragen auf. Bereits die Anreicherung von Atomen, Ionen und Molekülen im mikroskopischen Maßstab in Materialsystemen zeigt Einfluss auf die Eigenschaften von Werkstoffen und bedingt dadurch die Notwendigkeit einer eingehenden Erforschung.
Was ist Segregation?
Unter Entmischung versteht man die Anreicherung von Atomen, Ionen oder Molekülen in mikroskopischen Bereichen eines Stoffsystems. Der Begriff wird in manchen Fällen synonym zu Adsorption verwendet, meist wird damit jedoch die Aufteilung molekularer Bestandteile in festen Lösungen auf Defekte beschrieben. Dieses Phänomen unterscheidet sich von anderen Materialphänomenen wie der Partikeltrennung oder Phasentrennung, bei der Moleküle in makroskopische Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung aufgeteilt werden.
Segregationsphänomene können den gesamten Prozess eines Materials von seiner Mikrostruktur bis zu seiner endgültigen Leistung beeinträchtigen.
Historischer Hintergrund der Rassentrennung
Die Geschichte der Rassentrennung lässt sich bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen. Gleichgewichtssegregation hängt eng mit Gitterdefekten zusammen, die eine Aggregation gelöster Atome an Grenzflächen oder Oberflächen ermöglichen und so die gesamte freie Energie verringern. Der erste Wissenschaftler, der dieses Phänomen vorhersagte, war McLean, der 1957 eine Erklärung vorschlug.
Im Gegensatz dazu bezieht sich die Nichtgleichgewichtssegregation, ein von Westbrook im Jahr 1964 vorgeschlagenes Konzept, auf die Kopplung von gelösten Stoffen an freie Stellen während des sogenannten „Ausglühens“ oder Spannungsanwendungsprozesses und weist andere thermodynamische Eigenschaften auf. . In einem Nichtgleichgewichtszustand erhöht sich mit zunehmender Temperatur auch der Entmischungsgrad, was genau das Gegenteil des Gleichgewichtszustands ist.
Die Bedeutung der SegregationWenn sich gelöste Stoffe an den Oberflächen und Korngrenzen eines Festkörpers ansammeln, entstehen Materialabschnitte mit unterschiedlicher Zusammensetzung, was die gesamten Materialeigenschaften beeinflussen kann. Mit anderen Worten: Diese „Bereiche“ höherer Konzentration sind wie der Zement eines Gebäudes; die Gesamtstruktur des Gebäudes hängt nicht nur vom Material der Ziegel ab, sondern auch von den Eigenschaften dieses Zements.
Beispielsweise kann die Entmischung von Korngrenzen zu einem Bruch an den Korngrenzen aufgrund von Sprödigkeit führen, was in vielen technischen Anwendungen ein ernstes Problem darstellt.
Wie sich Materialentmischung auf die Leistung auswirkt
In vielen Fällen hat die Entmischung einen erheblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften, insbesondere bei Industriematerialien wie Baustählen, wo sie zu Phänomenen wie umweltbedingter Ermüdung oder Wasserstoffversprödung führen kann. Darüber hinaus könnten mit der Erhöhung der Materialrecyclingquoten auch Probleme mit Grenzflächenstörungen auftreten, die wir bisher nicht beobachtet haben.
Verständnis des Segregationsmechanismus
Um die Auswirkungen der Segregation besser kontrollieren zu können, entwickeln Wissenschaftler derzeit Modellierungsfunktionen und experimentelle Techniken, um die Funktionsweise dieser Segregationsmechanismen in zunehmend komplexeren Systemen zu erklären. Dies wird nicht nur bei der Entwicklung zukünftiger Materialien helfen, sondern auch deren Leistung in verschiedenen industriellen Anwendungen vorhersagen.
Mehrere Theorien liefern Beschreibungen für das Entmischungsverhalten, wie etwa die Langmuir-McLean-Theorie, die BET-Theorie usw., bei denen das Verteilungsmodell der gelösten Atome von entscheidender Bedeutung ist.
Nachdenken über die Zukunft der Materialwissenschaft
Obwohl aufgrund der Komplexität des Segregationsphänomens viele Probleme ungelöst bleiben, ist es angesichts des künftigen technologischen Fortschritts notwendig, dass wir weiterhin in die Erforschung dieses Phänomens investieren. Der Schlüssel zu unserem Fortschritt könnte darin liegen, zu verstehen, wie sich diese Entmischungsphänomene insbesondere bei der Entwicklung neuer Werkstoffe kontrollieren lassen. Angesichts der technologischen Entwicklung und der sich ständig ändernden Anforderungen der Industrie stellt sich letztlich die Frage: Können wir diese Materialeigenschaften wirksam vorhersagen und kontrollieren?
