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Detrás de la descomposición de la materia: ¿Qué hace que las mezclas líquidas se separen de forma natural?
En el campo de la ciencia de los materiales, la "separación de fases espontánea" es un fenómeno fascinante. En particular, el mecanismo de "descomposición espinodal" es un comportamiento de fase termodinámico que permite que una fase pura se separe espontáneamente en dos fases sin un proceso de nucleación. Cuando ocurre la descomposición, no existen barreras termodinámicas para la separación de fases, por lo que no se requieren eventos de nucleación causados por fluctuaciones termodinámicas para desencadenar la separación de fases.
Este fenómeno se observa comúnmente en mezclas de metales o polímeros, que se separan en dos fases coexistentes, cada una rica en un componente y relativamente pobre en el otro.
La descomposición espinodal es diferente del proceso tradicional de nucleación y crecimiento. En este último caso, el sistema debe tardar un tiempo en superar la barrera de nucleación, pero la descomposición espinodal se caracteriza por la ausencia de dichas barreras. Tan pronto como ocurre una pequeña fluctuación, esas fluctuaciones que crecen gradualmente se amplifican inmediatamente. Al mismo tiempo, las dos fases de descomposición del espín odal crecen uniformemente en todo el sistema, mientras que la nucleación comienza en un número limitado de puntos.
Base termodinámica de la descomposición espinodal
La descomposición espinodal ocurre cuando una fase homogénea se vuelve termodinámicamente inestable. En este caso, la fase inestable se encuentra en el máximo de la energía libre. Por el contrario, los procesos de nucleación y crecimiento ocurren cuando la fase homogénea se mantiene en un mínimo local de energía libre. Aquí, el otro sistema bifásico tiene menor energía libre, pero la fase homogénea tiene cierta resistencia a fluctuaciones más pequeñas. Según la definición de J. Willard Gibbs, una fase estable debe ser capaz de resistir pequeños cambios y permanecer estable. Antecedentes históricosA principios de la década de 1940, Bradley informó la observación de bandas laterales en los patrones de difracción de rayos X de aleaciones de Cu-Ni-Fe. Posteriormente, estudios posteriores de Daniel y Lipson demostraron que estas frecuencias laterales podían explicarse mediante la modulación periódica de los componentes a lo largo de la dirección [100]. El estudio mostró que la longitud de onda de esta modulación de composición era de aproximadamente 100 angstroms (10 nanómetros). La aparición de este fenómeno sugiere que en la aleación inicialmente homogénea se produce una difusión ascendente o un coeficiente de difusión negativo.
La investigación de Hillert sentó las bases para un modelo continuo más flexible desarrollado posteriormente por John W. Cahn y John Hilliard, que tenía en cuenta los efectos de la tensión compatible y la energía del gradiente. Esto es particularmente importante en la morfología de descomposición de materiales anisotrópicos.El primer trabajo que explica esta periodicidad fue propuesto por Mats Hillert en su tesis doctoral de 1955 en el MIT, quien derivó una ecuación de flujo para la difusión unidimensional que incluía el efecto de la energía de la interfaz sobre la influencia de las interacciones de fase y componente.
Modelo de Cahn-Hilliard y descomposición espinodal
La ecuación de Cahn-Hilliard es una fórmula eficaz para describir pequeñas fluctuaciones en la energía libre. Al evaluar fluctuaciones de pequeña amplitud, su energía libre puede aproximarse como un desdoblamiento concentrado alrededor del gradiente de concentración. Este enfoque nos permite utilizar una expresión cuadrática para describir el cambio en la energía libre.
La forma de esta ecuación es:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVdondefbes la energía libre por unidad de volumen de la solución homogénea, mientras queκes un parámetro que controla el costo de energía libre de los cambios de concentración.
Cuando deseamos estudiar la estabilidad de un sistema, por ejemplo en un análisis técnico que involucra pequeñas fluctuaciones, necesitamos evaluar los cambios en la energía libre que estas fluctuaciones de concentración pueden traer. Según la teoría de Cahn-Hilliard, la descomposición espinodal ocurre cuando el cambio de energía libre es negativo y las perturbaciones con vectores de onda bajos se vuelven espontáneamente inestables.
Dinámica de la descomposición espinodalLa dinámica de la descomposición espinodal se puede modelar mediante una ecuación de difusión extendida. La ecuación se expresa como: ∂c/∂t = M ∇^2μ, donde μ representa el potencial químico y M es el caudal. . La ecuación se basa en la definición positiva del caudal y la interpreta como la relación entre el flujo y el gradiente local del potencial químico.
Combinando toda la información anterior, la descomposición espinodal es un fenómeno extremadamente importante que existe ampliamente en muchos materiales como metales y polímeros. Los científicos continúan explorando este mecanismo para obtener una comprensión más profunda del diseño de materiales y la mejora del rendimiento.
Entonces, ¿alguna vez te has preguntado cómo la descomposición espín-odal podría afectar las propiedades y aplicaciones de los materiales en la ciencia de los materiales del futuro?
