Bir önceki sayfada bahsettiğimiz öz çekirdekleme tarifi, herhangi bir yabancı yüzeye ihtiyaç duyulmadan, yeni fazın anafaz içinden doğduğu işleyişi anlatıyor. Yeni faz öz çekirdeklenme ile tomurcuklandığında, iki faz arasında oluşan yüzeyin oldukça yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyması nedeniyle bu işleyiş faz dönüşümlerinde sıklıkla karşımıza çıkmıyor. Öz çekirdeklenme yerine, daha sık olarak, çekirdeklenmenin anafaz içinden değil, yabancı bir yüzey üzerinde başladığı ve bu nedenle ayrışık çekirdeklenme (İngilizce: heterogeneous nucleation) adı verilen bir işleyişle karşılaşıyoruz.
Öz çekirdeklenmenin gerçekleşmesi için aşılması gereken enerji bariyerinden bir önceki konu başlığında bahsetmiş ve bu bariyerin temel olarak iki faz arasında oluşacak yüzeyin enerji ihtiyacı nedeniyle ortaya çıktığını belirtmiştik. Çekirdeklenme karşısındaki ana engelin iki faz arasında oluşan yüzeyin enerji ihtiyacı olması nedeniyle, çekirdeğin hacmine kıyasla daha küçük bir yüzey alanına sahip olmasını sağlayarak bu engelin büyüklüğünü azaltmamız, dolayısıya çekirdeklenmeyi kolaylaştırmamız mümkün olabiliyor.
Yeni oluşan fazın hacmine kıyasla daha az miktarda yüzeye sahip olması için, çekirdeklenmenin anafaz içinde halihazırda yer alan farklı bir yüzey üzerinde başlamasını sağlıyoruz. Örnek olarak katılaşma örneğine geri dönersek, sıvı içindeki partiküller ya da kalıp duvarı gibi yüzeyler, katı fazın çekirdeklenebilmesi için uygun birer yüzey görevi görebiliyor. Ayrışık çekirdeklenmenin başlamasını mümkün kılabilen bu tür yüzeylere malzeme biliminde tabaka, ya da alt tabaka (İngilizce: substrate) adını veriyoruz. Bu tabakaların çekirdeklenmeyi nasıl daha kolay hale getirdiğini aşağıdaki resim üzerinde anlatalım.
Yukarıda solda, katılaşma sırasında atomların konumları kaba bir tasvirle, sağda ise katılaşma sürecinde yer alan fazların büyük ölçekteki biçimleri resmediliyor. Katı ve sıvı arasındaki yüzeyin enerjisi γsk, sıvı ve tabaka arasındaki yüzeyin enerjisi γst, katı ve tabaka arasındaki yüzeyin enerjisi ise γkt ile gösteriliyor. Katı faz, sıvı içinde bir tabaka üzerinde çekirdeklendiğinde, oluşan yüzeyin enerji ihtiyacı öz çekirdeklenmeye kıyasla daha düşük oluyor. Yüzeyin oluşması için gereken enerji ihtiyacının azalması iki nedene dayanıyor: (1) yüksek enerjiye ihtiyaç duyan sıvı/katı arayüzeyi miktarı tabakanın varlığı nedeniyle azalıyor; (2) tabaka ile katı arasındaki arayüzey, sıvı ile katı arasındaki arayüzeye kıyasla daha düşük enerjiye ihtiyaç duyuyor.
Ayrışık çekirdeklenme, öz çekirdeklenmeye kıyasla daha düşük bir enerji bariyerine sahip olsa da, öz ve ayrışık çekirdeklenmenin başlayabilmesi için gereken kritik çekirdek yarıçapının her iki işleyiş için de aynı olduğunu görüyoruz. Diğer bir deyişle, ayrışık çekirdeklenme daha küçük çekirdeklerin kararlılık kazanabilmesini sağlamıyor. Ayrışık çekirdeklenmenin daha sık karşımıza çıkmasının nedeni, öz çekirdeklenmeye kıyasla daha düşük bir enerji bariyerine sahip olmasından kaynaklanıyor. Bu nedenle ayrışık çekirdeklenme, öz çekirdeklenmeye kıyasla çok daha az miktarda aşırı soğuma ile gerçekleşebiliyor. Bu da, öz çekirdeklenmenin başlaması için gereken aşırı soğumanın oluşmasını beklemeden, daha az miktarda bir aşırı soğuma ile ayrışık çekirdeklenmenin başlayacağı ve öz çekirdeklenmenin önüne geçeceği anlamına geliyor. Aşağıdaki resimde öz ve ayrışık çekirdeklenme için gereken kritik çekirdek yarıçapları ve her iki işleyişin karşısındaki enerji bariyerleri gösteriliyor.
Bu konu başlığında her ne kadar yalnızca katılaşma üzerinde durmuş olsak da, katı hal dönüşümlerinde de çekirdeklenmenin sıklıkla ayrışık işleyişle gerçekleştiğini gözlemliyoruz. Bir sonraki konu başlığında katı malzemelerde ayrışık çekirdeklenme için tabaka görevi gören yüzeylerden bahsedeceğiz.
Devamı:
- Sonraki sayfa: Katı hal dönüşümlerinde çekirdeklenme
- Önceki sayfa: Çekirdeklenme
- Ana konu başlığı: Malzeme Biliminin Fiziksel Temelleri