Vaiheerottumisesta

Vaiheerottumisesta, jota yleisesti kutsutaan vaihe-erottumiseksi, tarkoitetaan tilaa, jossa homogeeninen seos jakautuu kahdeksi tai useammaksi erilaisten faasien ryhmäksi. Erottuminen tapahtuu, kun seoksen vapaa energia ei enää minimoi yhtä faasia vaan suosii kahden tai useamman faasin esiintymistä. Prosessi esiintyy monissa järjestelmissä, kuten polymeeriseoksissa, metalliseoksissa, liuoksissa, emulsioissa sekä geologisissa ja elintarviketeollisuuden sovelluksissa.

Kaksi päämekanismia ovat spinodiaalinen erottuminen ja ydin- sekä kasvu -mekanismi. Spinodiaalinen erottuminen tapahtuu, kun järjestelmä kiinnittyy epäedulliselle alueelle termodynaamisessa vaihehauteessa, ja pienet koostumusvaihtelut kasvavat spontaanisti diffuusion avulla. Ydin- ja kasvumekanismissa uus faasi syntyy metastabiilissa tilassa vapaaehtoisesti muodostuvien ytinten kautta, ja kasvu etenee diffuusion sekä maskulaation avulla. Näihin mekanismeihin vaikuttavat lämpötila, paine, koostumus ja faasin vuorovaikutukset.

Thermodynamiikassa vaihe-erottumisen syntyyn vaikuttavat vapaaenergian kuvaajat ja faasinrajat. Binodal-käyrä merkitsee faaseen liittyvän tasapainon rajaa, kun taas spinodal-käyrä määrittää alueen, jolla epäyhtenäinen koostumus kasvaa spontaanisti. Eri systeemeissä vuorovaikutuksia kuvaa esimerkiksi chi-parametri (Flory–Huggins), jonka arvo ja lämpötila yhdessä määrittävät, missä tilassa järjestelmä erottuu. Yleensä suurempi immiscibility-arvo ja alhaisempi lämpötila suosivat erottumista.

Esimerkkejä on polymeeriseoksista, joissa faasit muodostavat pienikokoisia pisaroita tai bicontinuu­saalisen rakenteen; metalliseoksissa erottuminen voi johtaa hienorakenteisiin faasijakoihin; emulsioissa voi tapahtua öljyn ja veden erottumista. Vaiheerottumisen ymmärrys ja hallinta ovat keskeisiä materiaalien suunnittelussa, kuten nanostruktuurien, kalvojen ja toimivien komposiittien valmistuksessa.

---