No campo da ciência dos materiais, a "separação espontânea de fases" é um fenômeno fascinante. Em particular, o mecanismo de "decomposição espinodal" é um comportamento de fase termodinâmico que permite que uma fase pura se separe espontaneamente em duas fases sem um processo de nucleação. Quando ocorre a decomposição, não há barreiras termodinâmicas à separação de fases, portanto, nenhum evento de nucleação causado por flutuações termodinâmicas é necessário para desencadear a separação de fases.
Esse fenômeno é comumente observado em misturas de metais ou polímeros, que se separam em duas fases coexistentes, cada uma rica em um componente e relativamente pobre no outro.
A decomposição espinodal é diferente do processo tradicional de nucleação e crescimento. No último, o sistema deve levar tempo para superar a barreira de nucleação, mas a decomposição espinodal é caracterizada pela ausência de tais barreiras. Quando ocorre uma pequena flutuação, essas flutuações que crescem gradualmente são imediatamente amplificadas. Ao mesmo tempo, as duas fases da decomposição spin odal crescem uniformemente por todo o sistema, enquanto a nucleação começa em um número limitado de pontos.
A decomposição espinodal ocorre quando uma fase homogênea se torna termodinamicamente instável. Neste caso, a fase instável está localizada no máximo da energia livre. Em contraste, os processos de nucleação e crescimento ocorrem quando a fase homogênea é mantida em um mínimo local de energia livre. Aqui, o outro sistema de duas fases tem menor energia livre, mas a fase homogênea tem alguma resistência a flutuações menores. Segundo a definição de J. Willard Gibbs, uma fase estável deve ser capaz de resistir a pequenas mudanças e permanecer estável.
Contexto históricoNo início da década de 1940, Bradley relatou a observação de bandas laterais nos padrões de difração de raios X de ligas de Cu-Ni-Fe. Posteriormente, estudos posteriores de Daniel e Lipson mostraram que essas frequências laterais poderiam ser explicadas pela modulação periódica dos componentes ao longo da direção [100]
. O estudo mostrou que o comprimento de onda dessa modulação de composição era de cerca de 100 angstroms (10 nanômetros)
. A ocorrência desse fenômeno sugere que ocorre difusão ascendente ou um coeficiente de difusão negativo na liga inicialmente homogênea.
O primeiro trabalho explicando essa periodicidade foi proposto por Mats Hillert em sua dissertação de doutorado de 1955 no MIT, que derivou uma equação de fluxo para difusão unidimensional que incluía o efeito da energia da interface na influência das interações de fase e componentes.
A pesquisa de Hillert lançou as bases para um modelo contínuo mais flexível desenvolvido posteriormente por John W. Cahn e John Hilliard, que levou em consideração os efeitos da deformação compatível e da energia do gradiente. Isto é particularmente importante na morfologia de decomposição de materiais anisotrópicos.
A equação de Cahn-Hilliard é uma fórmula eficaz para descrever pequenas flutuações na energia livre. Ao avaliar pequenas flutuações de amplitude, sua energia livre pode ser aproximada como um desdobramento concentrado em torno do gradiente de concentração. Essa abordagem nos permite usar uma expressão quadrática para descrever a mudança na energia livre.
A forma desta equação é:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dV
ondefb
é a energia livre por unidade de volume do solução homogênea, enquantoκ
é um parâmetro que controla o custo de energia livre das mudanças de concentração.
Quando desejamos estudar a estabilidade de um sistema, por exemplo, em análises técnicas envolvendo pequenas flutuações, precisamos avaliar as mudanças na energia livre que essas flutuações de concentração podem trazer. De acordo com a teoria de Cahn-Hilliard, a decomposição espinodal ocorre quando a mudança de energia livre é negativa, e perturbações com vetores de onda baixos se tornam espontaneamente instáveis.
A dinâmica da decomposição espinodal pode ser modelada por uma equação de difusão estendida. A equação é expressa como: ∂c/∂t = M ∇^2μ
, onde μ
representa o potencial químico e M
é a vazão . A equação é baseada na definição positiva da vazão e a interpreta como a razão entre o fluxo e o gradiente local do potencial químico.
Combinando todas as informações acima, a decomposição espinodal é um fenômeno extremamente importante que existe amplamente em muitos materiais, como metais e polímeros. Os cientistas continuam explorando esse mecanismo para obter uma compreensão mais profunda do design de materiais e da melhoria do desempenho.
Então, você já se perguntou como a decomposição spin-odal pode afetar as propriedades e aplicações dos materiais na futura ciência dos materiais?