Çekirdeklenme

Yayılımla gerçekleşen faz dönüşümleri, bir faz içinde başka bir fazın tomurcuklanıp büyümesi ile gerçekleşiyor. Oluşmaya başlayan yeni fazın özelliklerini taşıyan bu tomurcuğa malzeme biliminde çekirdek (İngilizce: nucleus), çekirdeğin oluşma sürecine de çekirdeklenme (İngilizce: nucleation) adını veriyoruz.

Çekirdeklenme sürecinin işleyişini katı hal faz dönüşümleri yerine, bu sürecin doğasını daha rahat kavrayabileceğimiz katılaşma örneği üzerinden tarif edelim. Katılaşma da, tıpkı burada bahsettiğimiz diğer faz dönüşümleri gibi, atomların yayılımı ile gerçekleşiyor. Dolayısıya sıvının katıya dönüşümü de, aynı kat hal dönüşümlerinde olduğu gibi, önce katı fazın çekirdeklenmesi, ardından da bu çekirdeğin büyümesi ile sağlanıyor.

Katılaşmayı katı hal dönüşümlerinden ayıran temel farklarıdan bir tanesi, dönüşüm öncesinde malzemenin kristal değil, amorf bir yapı sergiliyor olması. Aşağıdaki resimde sol üstte gösterilen ilk durum, sıvı fazda gözlemlediğimiz amorf, yani düzensiz atom dağılımını kabaca tarif ediyor. Sıcaklık dönüşüm sıcaklığının altına düştüğünde, katı fazın çekirdeklenmesiyle katılaşma başlıyor.

Çekirdeklenme, düzensiz atom denizi içinde bir yerlerde, tesadüfen birkaç atomun katı haldeki konumlarına benzer bir şekilde bir araya gelmesiyle başlıyor. Atomların sıvı fazdaki konum değişimleri hem yayılımla, hem de sıvı içindeki akıntılarla, yani atomların taşınımıyla (İngilizce: convection) sağlanıyor.

Oluşan bu ilk çekirdek, katılaşma sonunda oluşacak olan kristal yapının çok ufak bir modeli niteliğini taşıyor. Kristal yapı, dönüşüm sıcaklığı altında amorf yapıya göre daha kararlı, yani daha “düşük enerjiye sahip” olduğu için, atomlar bu yeni konumlarında kalmak istiyorlar. Fakat, atomların bu konumlarını koruyabilmeleri için, yapının oluşmasıyla açığa çıkan fazladan enerjinin katı ile sıvı arasında oluşan yüzeyin enerjisini karşılayabilmesi gerekiyor. Eğer faz dönüşümü sonrasında açığa çıkan enerji, yüzeyin oluşumu için gereken enerjiyi karşılayabilirse, çekirdek kararlı bir şekilde büyümeye devam edebiliyor. Eğer açığa çıkan enerji, yüzey enerjisini karşılamakta yetersiz kalırsa, oluşan çekirdek tekrar sıvı içinde çözünüyor.

Katı çekirdek oluştuğunda açığa çıkan enerjinin yüzey enerjisini karşılayıp karşılayamayacağı, oluşan çekirdeğin ne kadar büyük olduğu ile ilgili bir durum. Basit bir değerlendirme yapabilmek için çekirdeğin küresel bir şekle sahip olduğunu varsayalım. Çekirdek ne kadar küçükse, yüzey alanının hacmine oranı o kadar büyük olacağı için, açığa çıkan enerji, oluşan yüzeyin ihtiyacını karşılayabilmek için o denli yetersiz kalıyor. Bu nedenle az sayıda atomun tesadüfen bir araya gelmesiyle oluşan çekirdekler, patlayıp sönen havai fişekler misali, oldukça kısa ömürlü oluyorlar. Eğer daha çok sayıda atom tesadüfen bir araya gelerek bir çekirdek oluşturmuşsa, hacimdeki artışa bağlı olarak açığa çıkan enerji miktarı artacağı, ve yüzey alanı da hacmine oranla daha ufak kalacağı için, açığa çıkan enerjinin oluşan yüzeyin ihtiyacını karşılayabilmesi ve çekirdeğin büyümesi mümkün olabiliyor.

Çekirdekleme sırasında her yeni atomun çekirdeğe eklenmesiyle çekirdeğin hem hacmi, hem de yüzey alanı artış gösteriyor. Diğer bir deyişle eklenen her yeni atom, çekirdeklenmeye bağlı olarak açığa çıkan ya da ihtiyaç duyulan enerjide bir değişim meydana getiriyor. Her bir yeni atomun eklenmesiyle, yani çekirdeğin büyümesiyle, bu enerjilerin ne şekilde değiştiği aşağıdaki resimde gösteriliyor. Eklenen her yeni atom, hem yüzey artışından kaynaklanan enerjiyi ihtiyacını, hem de katı kristalin oluşumuna bağlı, yani hacim artışıyla açığa çıkan enerjiyi arttırıyor. Hacim artışına bağlı olan enerjinin “açığa çıkması”, yani salınması nedeniyle, aşağıdaki resimde eksi değerlerle gösteriyoruz.

Çekirdeklenme sırasındaki toplam enerji değişiminin eksi değerlere düşmesi, hacim artışına bağlı olarak açığa çıkan enerjinin yüzeyin ihtiyacı olan enerjiyi sağladığı gibi, bir miktarının da arttığını ifade ediyor. Toplam enerjinin artı değerlerde olması ise, açığa çıkan enerjinin yüzeyin ihtiyacını karşılamakta yetersiz kaldığını gösteriyor.

Yukarıdaki resme dikkat ederseniz, toplam enerji değişimi (kırmızı çizgi) önce artış gösterirken, en yüksek değerine ulaştıktan sonra düşmeye başlıyor. Toplam enerji değişiminin bu tepe noktasından sonra düşmeye başlaması, bu noktadan sonra çekirdeğe eklenen her atomun toplam enerjide bir miktar azalmaya neden olacağını gösteriyor. Bu nedenle, tesadüfen oluşan ve yarıçapı resimde r* ile gösterilen kritik yarıçap değerinin üzerinde olan çekirdekler sıvı içinde büyümeye devam ederken, bu kritik yarıçap değerinden daha ufak yarıçapa sahip çekirdekler sıvı içinde tekrar çözünüyor.

Burada tarif ettiğimiz çekirdeklenme sürecinde, oluşan fazın herhangi bir yüzeye ihtiyaç duymadan, anafazın içinden doğması nedeniyle bu işleyişe öz çekirdeklenme (İngilizce: homogeneous nucleation) adını veriyoruz. Bir sonraki konu başlığında, çekirdeklenmenin farklı bir yüzey üzerinde nasıl başladığı üzerinde duracağız.

Devamı:

• Sonraki sayfa: Ayrışık çekirdeklenme
• Önceki sayfa: Faz dönüşümlerinin enerji kıyaslaması üzerinden tarifi
• Ana konu başlığı: Malzeme Biliminin Fiziksel Temelleri