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O segredo da fissão molecular: por que as misturas se dividem rapidamente em duas substâncias sob certas circunstâncias?
Pesquisas científicas recentes revelaram os segredos da divisão molecular, especificamente como, sob certas condições, uma mistura pode produzir rapidamente duas substâncias. Esse fenômeno é chamado de separação espontânea de fases (decomposição espinodal), que ocorre no estado de fase termodinâmica. Quando uma fase uniforme se torna instável, ela pode rapidamente se dividir em duas fases diferentes sem passar por um tedioso processo de nucleação. Este fenómeno é particularmente comum em misturas de metais ou polímeros, e os investigadores estão a investigar os mecanismos por detrás dele e as suas potenciais aplicações.
Durante a separação espontânea de fases, pequenas flutuações dentro do sistema começam a crescer rapidamente, formando regiões de enriquecimento para dois componentes específicos.
O conceito básico de separação espontânea de fases vem da instabilidade termodinâmica. Uma fase homogênea é instável quando atinge sua energia livre máxima termodinâmica. Relativamente falando, os processos de nucleação e crescimento ocorrem quando a fase uniforme muda para um estado metaestável. Neste momento, a resistência interna do sistema a pequenas flutuações é forte, de modo que o processo de formação da segunda fase precisa superar certos obstáculos.
A cinética da separação espontânea de fases é frequentemente modelada pela equação de Cahn-Hilliard. Esta equação descreve como as moléculas se movem através da difusão em uma mistura e captura efetivamente mudanças sutis no processo. Cahn e Hilliard ampliaram seu modelo com base na eficiência na dinâmica de Laplace. Esta extensão incluiu o efeito de deformações internas e termos de energia gradiente, permitindo que o modelo considere melhor os efeitos da forma de decomposição não isotrópica.
No fenômeno da separação espontânea de fases, o movimento das moléculas não depende apenas da difusão simples, mas é acompanhado por mudanças na microestrutura.
A história da separação espontânea de fases remonta à década de 1940, quando os cientistas observaram fenômenos de banda lateral em ligas de cobre-níquel-ferro através de técnicas de difração de raios X. O aparecimento dessas bandas laterais inicialmente emaranhou a modulação periódica dos componentes. Eventualmente, através de pesquisas continuadas, o contexto do problema tornou-se gradualmente claro, confirmando a conexão urgente entre a análise das modulações dos componentes e o processo de decomposição de fase.
Em termos de cálculo de energia livre no modelo, os cientistas introduziram o método de aproximação de Ginzburg e Landau para analisar a energia livre sob pequenas flutuações. Tal avaliação mostra que a expansão das flutuações estocásticas tem um impacto profundo nas propriedades das misturas, especialmente perto dos mínimos locais da energia livre, tornando a derivação da energia livre de Cahn-Hilliard um dos principais tratamentos para a compreensão da separação espontânea de fases. um.
A energia livre entre as diferentes fases continua a mudar à medida que a composição local muda. Em última análise, isto leva o sistema a evoluir para um estado de baixa energia livre.
Quando o potencial químico é combinado com o movimento difusional, obtemos uma visão mais completa. O potencial químico aqui é uma variável da energia livre, e a equação cinética acima faz com que as pessoas percebam que o fluxo da matéria não depende apenas da influência do ambiente interno e externo, mas também está sujeito a mudanças na microestrutura. Quando parte do sistema começa a se transformar, o fenômeno se expande, eventualmente produzindo uma grande variedade de ligas e estruturas poliméricas.
Esta pesquisa não apenas nos ajuda a compreender melhor o fenômeno da separação de fases na natureza, mas também é de grande importância para o desenvolvimento da moderna ciência dos materiais. Este conhecimento pode ser aplicado ao design de novos materiais, particularmente em aplicações avançadas de ligas metálicas e polímeros, tendo potencialmente um impacto profundo na melhoria do desempenho, design e utilização final dos materiais.
Pesquisas futuras podem revelar mais mistérios sobre a separação espontânea de fases, o que não é apenas uma exploração da ciência, mas também uma expectativa para futuras inovações tecnológicas.
Então, enquanto exploramos como as moléculas se dividem espontaneamente, você já se perguntou se fenômenos semelhantes estão ocorrendo silenciosamente em outros campos?
