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Dietro la decomposizione della materia: cosa fa sì che le miscele liquide si separino naturalmente?
Nel campo della scienza dei materiali, la "separazione spontanea delle fasi" è un fenomeno affascinante. In particolare, il meccanismo di "decomposizione spinodale" è un comportamento di fase termodinamico che consente a una fase pura di separarsi spontaneamente in due fasi senza un processo di nucleazione. Quando avviene la decomposizione, non ci sono barriere termodinamiche alla separazione di fase, quindi non sono necessari eventi di nucleazione causati da fluttuazioni termodinamiche per innescare la separazione di fase.
Questo fenomeno si osserva comunemente nelle miscele di metalli o polimeri, che si separano in due fasi coesistenti, ciascuna ricca di un componente e relativamente povera dell'altro.
La decomposizione spinodale è diversa dal tradizionale processo di nucleazione e crescita. In quest'ultimo caso, il sistema deve impiegare del tempo per superare la barriera di nucleazione, mentre la decomposizione spinodale è caratterizzata dall'assenza di tali barriere. Non appena si verifica una piccola fluttuazione, le fluttuazioni che aumentano gradualmente vengono immediatamente amplificate. Allo stesso tempo, le due fasi della decomposizione spin-odale crescono uniformemente in tutto il sistema, mentre la nucleazione inizia in un numero limitato di punti.
Basi termodinamiche della decomposizione spinodale
La decomposizione spinodale si verifica quando una fase omogenea diventa termodinamicamente instabile. In questo caso la fase instabile si trova al massimo dell'energia libera. Al contrario, i processi di nucleazione e crescita si verificano quando la fase omogenea è mantenuta in un minimo locale di energia libera. In questo caso, l'altro sistema bifase ha un'energia libera inferiore, ma la fase omogenea presenta una certa resistenza alle fluttuazioni più piccole. Secondo la definizione di J. Willard Gibbs, una fase stabile deve essere in grado di resistere a piccoli cambiamenti e rimanere stabile.
Contesto storicoAll'inizio degli anni '40, Bradley riferì di aver osservato bande laterali nei modelli di diffrazione dei raggi X delle leghe Cu-Ni-Fe. Successivamente, ulteriori studi di Daniel e Lipson hanno dimostrato che queste frequenze laterali potevano essere spiegate dalla modulazione periodica dei componenti lungo la direzione [100]. Lo studio ha dimostrato che la lunghezza d'onda di questa modulazione della composizione era di circa 100 angstrom (10 nanometri). Il verificarsi di questo fenomeno suggerisce che nella lega inizialmente omogenea si verifica una diffusione verso l'alto o un coefficiente di diffusione negativo.
Il primo lavoro che spiega questa periodicità fu proposto da Mats Hillert nella sua tesi di dottorato del 1955 al MIT, che derivò un'equazione di flusso per la diffusione unidimensionale che includeva l'effetto dell'energia di interfaccia sull'influenza delle interazioni di fase e componente.
La ricerca di Hillert gettò le basi per un modello continuo più flessibile, sviluppato in seguito da John W. Cahn e John Hilliard, che teneva conto degli effetti della deformazione compatibile e dell'energia del gradiente. Ciò è particolarmente importante nella morfologia di decomposizione dei materiali anisotropi.
Modello di Cahn-Hilliard e decomposizione spinodale
L'equazione di Cahn-Hilliard è una formula efficace per descrivere piccole fluttuazioni nell'energia libera. Quando si valutano piccole fluttuazioni di ampiezza, la sua energia libera può essere approssimata come uno sviluppo concentrato attorno al gradiente di concentrazione. Questo approccio ci consente di utilizzare un'espressione quadratica per descrivere la variazione di energia libera.
La forma di questa equazione è:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVdovefbè l'energia libera per unità di volume dell' soluzione omogenea, mentreκè un parametro che controlla il costo dell'energia libera delle variazioni di concentrazione.
Quando vogliamo studiare la stabilità di un sistema, ad esempio nell'analisi tecnica che coinvolge piccole fluttuazioni, dobbiamo valutare le variazioni di energia libera che queste fluttuazioni di concentrazione possono apportare. Secondo la teoria di Cahn-Hilliard, la decomposizione spinodale si verifica quando la variazione di energia libera è negativa e le perturbazioni con vettori d'onda bassi diventano spontaneamente instabili.
Dinamica della decomposizione spinodale
La dinamica della decomposizione spinodale può essere modellata mediante un'equazione di diffusione estesa. L'equazione è espressa come: ∂c/∂t = M ∇^2μ, dove μ rappresenta il potenziale chimico e M è la portata . L'equazione si basa sulla definizione positiva della portata e la interpreta come il rapporto tra il flusso e il gradiente locale del potenziale chimico.
Combinando tutte le informazioni di cui sopra, la decomposizione spinodale è un fenomeno estremamente importante che si riscontra ampiamente in molti materiali, come metalli e polimeri. Gli scienziati continuano a studiare questo meccanismo per acquisire una comprensione più approfondita della progettazione dei materiali e del miglioramento delle prestazioni.
Allora, vi siete mai chiesti come la decomposizione spin-odale potrebbe influenzare le proprietà e le applicazioni dei materiali nella futura scienza dei materiali?
