Language
Country/Area
No result found
Di balik penguraian materi: Apa yang membuat campuran cairan terpisah secara alami?
Dalam bidang ilmu material, "pemisahan fase spontan" merupakan fenomena yang menarik. Secara khusus, mekanisme "dekomposisi spinodal" merupakan perilaku fase termodinamika yang memungkinkan fase murni terpisah secara spontan menjadi dua fase tanpa proses nukleasi. Ketika dekomposisi terjadi, tidak ada hambatan termodinamika terhadap pemisahan fase, sehingga tidak diperlukan peristiwa nukleasi yang disebabkan oleh fluktuasi termodinamika untuk memicu pemisahan fase.
Fenomena ini umumnya terlihat dalam campuran logam atau polimer, yang terpisah menjadi dua fase yang hidup berdampingan, masing-masing kaya akan satu komponen dan relatif miskin pada komponen lainnya.
Dekomposisi spinodal berbeda dari proses nukleasi dan pertumbuhan tradisional. Dalam proses yang terakhir, sistem harus membutuhkan waktu untuk mengatasi hambatan nukleasi, tetapi dekomposisi spinodal dicirikan oleh tidak adanya hambatan tersebut. Begitu fluktuasi kecil terjadi, fluktuasi yang tumbuh secara bertahap tersebut segera diperkuat. Pada saat yang sama, dua fase dekomposisi spinodal tumbuh secara seragam di seluruh sistem, sementara nukleasi dimulai pada sejumlah titik yang terbatas.
Dasar termodinamika dekomposisi spinodal
Dekomposisi spinodal terjadi ketika fase homogen menjadi tidak stabil secara termodinamika. Dalam kasus ini, fase yang tidak stabil berada pada energi bebas maksimum. Sebaliknya, proses nukleasi dan pertumbuhan terjadi ketika fase homogen dipertahankan pada energi bebas minimum lokal. Di sini, sistem dua fase lainnya memiliki energi bebas yang lebih rendah, tetapi fase homogen memiliki beberapa ketahanan terhadap fluktuasi yang lebih kecil. Menurut definisi J. Willard Gibbs, fase yang stabil harus mampu menahan perubahan kecil dan tetap stabil.
Latar Belakang SejarahPada awal tahun 1940-an, Bradley melaporkan pengamatan pita samping dalam pola difraksi sinar-X dari paduan Cu-Ni-Fe. Selanjutnya, penelitian lebih lanjut oleh Daniel dan Lipson menunjukkan bahwa frekuensi samping ini dapat dijelaskan oleh modulasi periodik komponen sepanjang arah [100]. Penelitian menunjukkan bahwa panjang gelombang modulasi komposisi ini sekitar 100 angstrom (10 nanometer). Terjadinya fenomena ini menunjukkan bahwa difusi ke atas atau koefisien difusi negatif terjadi pada paduan yang awalnya homogen.
Karya paling awal yang menjelaskan periodisitas ini diajukan oleh Mats Hillert dalam disertasi doktoralnya tahun 1955 di MIT, yang memperoleh persamaan fluks untuk difusi satu dimensi yang mencakup efek energi antarmuka pada pengaruh interaksi fase dan komponen.
Penelitian Hillert meletakkan dasar bagi model kontinum yang lebih fleksibel yang kemudian dikembangkan oleh John W. Cahn dan John Hilliard, yang memperhitungkan efek regangan yang kompatibel dan energi gradien. Hal ini sangat penting dalam dekomposisimorfologi bahan anisotropik.
Model Cahn–Hilliard dan dekomposisi spinodal
Persamaan Cahn-Hilliard adalah rumus yang efektif untuk menggambarkan fluktuasi kecil dalam energi bebas. Ketika mengevaluasi fluktuasi amplitudo kecil, energi bebasnya dapat diperkirakan sebagai pelipatan yang terkonsentrasi di sekitar gradien konsentrasi. Pendekatan ini memungkinkan kita untuk menggunakan ekspresi kuadrat untuk menggambarkan perubahan energi bebas.
Bentuk persamaan ini adalah:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVdi manafbadalah energi bebas per satuan volume larutan homogen, sedangkanκadalah parameter yang mengendalikan biaya energi bebas dari perubahan konsentrasi.
Ketika kita ingin mempelajari stabilitas suatu sistem, misalnya dalam analisis teknis yang melibatkan fluktuasi kecil, kita perlu menilai perubahan energi bebas yang dapat ditimbulkan oleh fluktuasi konsentrasi ini. Menurut teori Cahn-Hilliard, dekomposisi spinodal terjadi ketika perubahan energi bebas negatif, dan gangguan dengan vektor gelombang rendah menjadi tidak stabil secara spontan.
Dinamika dekomposisi spinodal
Dinamika dekomposisi spinodal dapat dimodelkan dengan persamaan difusi yang diperluas. Persamaan tersebut dinyatakan sebagai: ∂c/∂t = M ∇^2μ, di mana μ mewakili potensial kimia dan M adalah laju aliran. Persamaan tersebut didasarkan pada definisi positif laju aliran dan menafsirkannya sebagai rasio fluks terhadap gradien lokal potensial kimia.
Menggabungkan semua informasi di atas, dekomposisi spinodal merupakan fenomena yang sangat penting yang terdapat secara luas di banyak material seperti logam dan polimer. Para ilmuwan terus mengeksplorasi mekanisme ini untuk memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang desain material dan peningkatan kinerja.
Jadi, pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana dekomposisi spinodal dapat memengaruhi sifat dan aplikasi material dalam ilmu material masa depan?
