Language
Country/Area
No result found
За разложением материи: что заставляет жидкие смеси разделяться естественным образом?
В области материаловедения «самопроизвольное фазовое разделение» — увлекательное явление. В частности, механизм «спинодального распада» представляет собой термодинамическое поведение фазы, которое приводит к самопроизвольному разделению чистой фазы на две фазы без процесса зародышеобразования. Когда происходит разложение, нет термодинамических барьеров для разделения фаз, поэтому события зародышеобразования, вызванные термодинамическими флуктуациями, не требуются для запуска разделения фаз.
Это явление обычно наблюдается в смесях металлов или полимеров, которые разделяются на две сосуществующие фазы, каждая из которых богата одним компонентом и относительно бедна другим.
Спинодальный распад отличается от традиционных процессов зародышеобразования и роста. В последнем случае системе необходимо время для преодоления барьера нуклеации, но для спинодального распада характерно отсутствие такого барьера. Как только происходят небольшие колебания, постепенно увеличивающиеся колебания немедленно усиливаются. При этом две фазы спинодального распада нарастают равномерно по всей системе, а зарождение начинается с ограниченного числа точек.
Термодинамические основы спинодального распада
Спинодальный распад происходит, когда однородная фаза становится термодинамически нестабильной. В этом случае нестабильная фаза находится при максимальном значении свободной энергии. Напротив, процессы зарождения и роста происходят, когда гомогенная фаза остается при локальном минимуме свободной энергии. Здесь другая двухфазная система имеет меньшую свободную энергию, но равномерно устойчива к меньшим флуктуациям. По определению Дж. Уилларда Гиббса, стабильная фаза должна быть способна противостоять небольшим изменениям и оставаться стабильной.
Историческая справка
В начале 1940-х годов Брэдли сообщил о явлении боковой частоты, наблюдаемом на рентгенограммах сплавов Cu-Ni-Fe. Впоследствии дальнейшие исследования Дэниела и Липсона показали, что эти побочные частоты можно объяснить периодической модуляцией композиции в направлении [100]. Исследования показали, что длина волны, модулируемая этим составом, составляет около 100 ангстрем (10 нанометров). Возникновение этого явления означает, что в изначально однородном сплаве имеет место диффузия вверх или отрицательный коэффициент диффузии.
Самая ранняя работа по объяснению этой периодичности была предложена Матсом Хиллертом в его докторской диссертации в Массачусетском технологическом институте в 1955 году. Он вывел уравнение потока для одномерной диффузии, которое включало взаимосвязь между энергией интерфейса и взаимодействием между фазами и компонентами.
Исследование Хиллерта заложило основу для более гибкой модели континуума, разработанной Джоном Каном и Джоном Хиллиардом, которая учитывала эффекты деформации совместимости и энергии градиента. Это особенно важно при разложении анизотропных материалов.
Модель Кана – Хиллиарда и спинодальное разложение
Уравнение Кана-Хилларда представляет собой эффективную формулу, описывающую свободную энергию при небольших флуктуациях. Когда оцениваются колебания небольшой амплитуды, его свободную энергию можно аппроксимировать как расширение с центром вокруг градиента концентрации. Такой подход позволяет использовать квадратичное выражение для описания изменения свободной энергии.
Это уравнение имеет следующий вид:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVгдеfb— свободная энергия единицы объема однородное решение, аκ— параметр, который контролирует стоимость свободной энергии изменения концентрации.
Когда мы хотим изучить стабильность системы, например, технический анализ, связанный с колебаниями небольшой амплитуды, нам необходимо оценить изменения свободной энергии, которые могут вызвать эти колебания концентрации. Согласно теории Кана-Хилларда, когда изменение свободной энергии становится отрицательным, происходит спинодальный распад и возмущение низковолнового вектора становится спонтанно неустойчивым.
Динамика спинодального распада
Динамику спинодального распада можно смоделировать расширенным уравнением диффузии. Уравнение выражается как: ∂c/∂t = M ∇^2μ, где μ представляет химический потенциал, а M — скорость потока. . Это уравнение основано на использовании положительного определения скорости потока и интерпретации его как отношения потока к локальному градиенту химического потенциала.
Основываясь на всей вышеизложенной информации, спинодальный распад является чрезвычайно важным явлением, широко существующим в различных материалах, таких как металлы и полимеры. Ученые продолжают исследовать этот механизм, чтобы глубже понять принципы проектирования материалов и улучшения производительности.
Итак, задумывались ли вы когда-нибудь о том, как спинодальный распад может повлиять на свойства материала и его применение в будущей материаловедении?
