Faseseparasjon

Faseseparasjon er prosessen der en blanding som ikke er fullstendig oppløst deler seg i to eller flere faser med ulik sammensetning og fysiske egenskaper. Fenomenet opptrer i væske-væske-, væske-fast- eller fast-fast-systemer når komponenter er inkompatible eller når temperatur og trykk endrer løsningens faseoppbygning.

Termodynamisk bakgrunn: Ved faste trykk og temperatur bestemmes homogeniteten av Gibbs’ frie energi for blandingen, ΔG_mix. Dersom ΔG_mix har lokale minima som ikke gir et enkelt minimum, eller dersom den andre derivert av ΔG_mix med hensyn til sammensetning er negativ (spinodal region), blir blandingen ustabil og deler seg i separate faser. Fasediagrammer illustrerer hvilke sammensetninger som er separerbare; lever-regelen og tie-lines gir fasenes andeler og sammensetninger ved en gitt temperatur.

Mekanisme: Separasjon skjer ofte ved nucleation og vekst, der små dråper eller korn av en ny fase dannes og vokser. I spinodal demiksjon skjer separasjonen spontant og danner karakteristiske mønstre. Diffusjon, interfacial spenning og temperaturendringer styrer morfologi og hastighet; senere kan små korn oppløse og større korn vokse i en prosess kjent som Ostwald-oppiring (Ostwald ripening).

Eksempler og anvendelser: Vanlig eksempel er olje og vann, hvor to flytende faser separeres. I material- og kjemiteknikk viser faseseparasjon seg i polymerblandinger, metall- og keramikklegeringer, og i mat- og farmasøytiske produkter. Kunnskap om faseseparasjon brukes i separasjonsteknikker, emulsjoner og kontroll av materialegenskaper.

Modeller og verktøy: Teorier som Flory-Huggins beskriver blanding av polymerer og løsningsmidler og gir ΔG_mix og miscibilitetsgrenser. Dynamiske beskrivelser som Cahn-Hilliard-ligningen modellerer spinodal demiksjon og morfologiutvikling. Praktiske analyser bruker fasediagram, tie-lines, interfacial spenningsmålinger og mikroskopiske eller lysspredningsmetoder for å karakterisere fasetilstander.