Language
Country/Area
No result found
Đằng sau sự phân hủy vật chất: Điều gì khiến hỗn hợp chất lỏng tách ra một cách tự nhiên?
Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, "sự tách pha tự phát" là một hiện tượng hấp dẫn. Đặc biệt, cơ chế "phân hủy spinodal" là một hành vi pha nhiệt động lực học cho phép một pha tinh khiết tự động tách thành hai pha mà không cần quá trình hình thành hạt nhân. Khi quá trình phân hủy xảy ra, không có rào cản nhiệt động nào đối với quá trình tách pha, do đó không cần có sự kiện hình thành hạt nhân do biến động nhiệt động để kích hoạt quá trình tách pha.
Hiện tượng này thường thấy trong hỗn hợp kim loại hoặc polyme, tách thành hai pha đồng thời, mỗi pha giàu một thành phần và tương đối nghèo thành phần còn lại.
Sự phân hủy spinodal khác với quá trình hình thành và phát triển thông thường. Trong trường hợp sau, hệ thống phải mất thời gian để vượt qua rào cản hình thành hạt nhân, nhưng sự phân hủy spinodal được đặc trưng bởi sự vắng mặt của những rào cản như vậy. Khi một biến động nhỏ xảy ra, những biến động tăng dần đó sẽ ngay lập tức được khuếch đại. Đồng thời, hai pha phân hủy spin-odal phát triển đồng đều trong toàn bộ hệ thống, trong khi quá trình hình thành hạt bắt đầu ở một số điểm giới hạn.
Cơ sở nhiệt động lực học của sự phân hủy spinodal
Sự phân hủy spinodal xảy ra khi một pha đồng nhất trở nên không ổn định về mặt nhiệt động lực học. Trong trường hợp này, pha không ổn định nằm ở mức năng lượng tự do lớn nhất. Ngược lại, quá trình hình thành hạt và phát triển xảy ra khi pha đồng nhất được giữ ở mức năng lượng tự do tối thiểu cục bộ. Ở đây, hệ hai pha còn lại có năng lượng tự do thấp hơn, nhưng pha đồng nhất có một số khả năng chống lại những biến động nhỏ hơn. Theo định nghĩa của J. Willard Gibbs, một pha ổn định phải có khả năng chống lại những thay đổi nhỏ và duy trì được tính ổn định.
Bối cảnh lịch sửVào đầu những năm 1940, Bradley đã báo cáo việc quan sát thấy các dải bên trong các mẫu nhiễu xạ tia X của hợp kim Cu-Ni-Fe. Sau đó, các nghiên cứu sâu hơn của Daniel và Lipson cho thấy các tần số phụ này có thể được giải thích bằng cách điều chế định kỳ các thành phần theo hướng [100]. Nghiên cứu cho thấy bước sóng của quá trình điều chế thành phần này là khoảng 100 angstrom (10 nanomet). Sự xuất hiện của hiện tượng này cho thấy có sự khuếch tán hướng lên hoặc hệ số khuếch tán âm xảy ra trong hợp kim đồng nhất ban đầu.
Công trình sớm nhất giải thích về tính tuần hoàn này được Mats Hillert đề xuất trong luận án tiến sĩ năm 1955 của ông tại MIT, người đã đưa ra một phương trình thông lượng cho sự khuếch tán một chiều bao gồm tác động của năng lượng giao diện lên ảnh hưởng của tương tác pha và tương tác thành phần.
Nghiên cứu của Hillert đã đặt nền tảng cho một mô hình liên tục linh hoạt hơn sau này được John W. Cahn và John Hilliard phát triển, mô hình này có tính đến tác động của biến dạng tương thích và năng lượng građien. Điều này đặc biệt quan trọng trong hình thái phân hủy của vật liệu dị hướng.
Mô hình Cahn–Hilliard và phân tích spinodal
Phương trình Cahn-Hilliard là một công thức hiệu quả để mô tả những biến động nhỏ trong năng lượng tự do. Khi đánh giá những biến động biên độ nhỏ, năng lượng tự do của nó có thể được ước tính gần đúng như sự mở ra tập trung xung quanh gradien nồng độ. Cách tiếp cận này cho phép chúng ta sử dụng biểu thức bậc hai để mô tả sự thay đổi năng lượng tự do.
Dạng của phương trình này là:
F = ∫ [fb + κ (∇c)^2] dVtrong đófblà năng lượng tự do trên một đơn vị thể tích của dung dịch đồng nhất, trong khiκlà tham số kiểm soát chi phí năng lượng tự do của những thay đổi nồng độ.
Khi chúng ta muốn nghiên cứu tính ổn định của một hệ thống, ví dụ như trong phân tích kỹ thuật liên quan đến những biến động nhỏ, chúng ta cần đánh giá những thay đổi về năng lượng tự do mà những biến động nồng độ này có thể mang lại. Theo lý thuyết Cahn-Hilliard, sự phân hủy spinodal xảy ra khi sự thay đổi năng lượng tự do là âm và nhiễu loạn với các vectơ sóng thấp trở nên không ổn định một cách tự phát.
Động lực của phân tích spinodal
Động lực của sự phân hủy spinodal có thể được mô hình hóa bằng phương trình khuếch tán mở rộng. Phương trình được biểu thị như sau: ∂c/∂t = M ∇^2μ, trong đó μ biểu thị thế hóa học và M là lưu lượng . Phương trình này dựa trên định nghĩa tích cực của lưu lượng và diễn giải nó như là tỷ lệ giữa thông lượng với độ dốc cục bộ của thế hóa học.
Kết hợp tất cả các thông tin trên, phân hủy spinodal là một hiện tượng cực kỳ quan trọng tồn tại rộng rãi trong nhiều vật liệu như kim loại và polyme. Các nhà khoa học tiếp tục khám phá cơ chế này để hiểu sâu hơn về thiết kế vật liệu và cải thiện hiệu suất.
Vậy, bạn có bao giờ tự hỏi sự phân hủy spin-odal có thể ảnh hưởng như thế nào đến tính chất và ứng dụng của vật liệu trong khoa học vật liệu trong tương lai không?
