Kararsız fazın ayrışmasıyla gerçekleşen dönüşümler

Önceki konularda her ne kadar yayılımla gerçekleşen faz dönüşümlerinin daima çekirdeklenme ve büyüme ile gerçekleştiğini söylemiş olsak da, bu konu başlığında yayılımla gerçekleşmesine rağmen çekirdeklenmenin olmadığı, istisnai bir faz dönüşümü işleyişinden bahsedeceğiz.

Bu dönüşümün doğasını kavrayabilmek için, yüksek sıcaklıkta, iki elementin homojen karışımıyla elde edilmiş bir alaşım düşünelim. Bu alaşımın sıcaklığını ani bir şekilde düşürdüğümüzde, zaman zaman, alaşımın iki ayrı faza ayrıştığını görebiliyoruz. Bu ayrışma temel olarak, yüksek sıcaklıkta kararlı olan karışımın düşük sıcaklıkta kararlılığını kaybetmesi nedeniyle ortaya çıkıyor. Bu da, ayrışma sonucu ortaya çıkan fazların daha düşük enerjiye sahip oldukları anlamına geliyor.

Ayrışmanın nasıl daha düşük enerjili fazlar ortaya çıkarabildiğini aşağıdaki enerji diyagramları üzerinde açıklayalım. Bir fazın kararlı durumda olması, aşağıda soldaki resimde gösterilen şekilde bir enerji profiline sahip olduğu anlamına geliyor. Böyle bir enerji profiline ve c0 kompozisyonuna sahip bir faz, kompozisyonunda meydana gelen dalgalanmalar sonucunda sadece kısa bir süreliğine ayrıştığında oluşan fazlar daha yüksek enerjiye sahip olacakları için, ayrışmaya yeltenen faz tekrar eski haline dönüyor. Bir fazın kararsız olması ise, sağda gösterilen şekilde bir enerji profiline sahip olduğunu, yani kompozisyondaki ufak bir dalgalanmanın bile daha düşük enerjili fazlar ortaya çıkaracağını gösteriyor. Bu tarz bir ayrışma sistemin enerjisini düşürdüğü için, kararsız fazın ayrışması (İngilzce: spinodal decomposition) kendiliğinden ilerlemeye devam ediyor.

Bu ayrışmanın en ilginç tarafı, dönüşümün karşısında bir enerji bariyeri bulunmuyor olması. Klasik çekirdeklenme işleyişinde, çekirdeğin oluşumu karşısında oluşan yüzeyin enerji ihtiyacı tarafından dayatılan bir enerji bariyeri bulunduğundan daha önce bahsetmiştik. Kararsız fazın ayrışmasında ise, dönüşümün karşısında bir bariyer olmaması nedeniyle dönüşüm kendiliğinden ilerliyor. Enerji bariyerinin olmadığı bu dönüşümün enerji profilini aşağıdaki gibi gösterebiliriz. Resimde kompozisyonu c0 ile gösterilen ve bariyerin tepesinde konumlanan faz, ufak bir kompozisyon dalgalanması ile ayrışmaya başladığında, malzeme çukur kompozisyondaki fazlara ayrışana kadar dönüşüm devam ediyor.

Yukarıdaki resimde c0 ile gösterilen fazın, kompozisyonda bir dalgalanma olmadıkça ayrışmaya başlayamayacağını düşünüyor olabilirsiniz. Her ne kadar enerji perspektifinden bakıldığında ayrışma olmadan kompozisyon o noktada dengede kalabilirmiş görünse de, katı faz içinde atomların sürekli hareket halinde olmaları nedeniyle bu dengenin uzun süreli olarak sağlanabilmesi mümkün değil. Atomların yayılımla gerçekleşen hareketleri, çok ufak mesafeler söz konusu olsa da, büyük ölçekte homojen görünen bir faz içinde bile kompozisyonda ufak, lokal dalgalanmalar olmasına yol açıyor. Kompozisyondaki ufacık bir dalgalanma bile burada bahsettiğimiz ayrışmayı başlatmaya yettiği için, c0 kompozisyonundaki fazın ayrışmadan kalabilmesi mümkün olamıyor. Aşağıdaki resimde bu ayrışmanın nasıl ilerlediğini görebilirsiniz.

Resim: Mcnaknik (Kamu malına aktarılmış resim – telif hakkı bulunmuyor).

Bu ayrışmanın çekirdeklenmeden bir diğer farkı da, çekirdeklenme gibi bazı konumlarda değil, bütün malzeme içinde aynı anda başlıyor olması. Ayrışma çok ufak kompozisyon dalgalanmaları ile başladığı için, oluşan fazların yapısı da çok ince, birkaç nanometre kalınlığında katmanlar şeklinde kendini gösteriyor. Ayrışma ilk başladığında çok ince yapıda katmanlar ortaya çıkıyor olsa da, bu katmanlar yüzey enerjilerini azaltmak için Oswald olgunlaşması adı verilen bir işleyişle büyümeye devam ediyorlar. Büyüme işleyişinin ayrıntılarından ilerleyen konulardan itibaren bahsetmeye başlayacağız.

Büyüme konusuna geçmeden önce, dikkatli okurların gözünden muhtemelen kaçmamış olduğunu düşündüğümüz önemli bir noktanın altını çizerek konuyu tamamlayalım. Yukarıdaki enerji profiline dikkat ederseniz, c0 kompozisyonuna sahip fazın, biri daha yüksek, diğeri ise daha düşük konsantrasyondaki iki faza ayrışabilmesi için atomların konsantrasyon eğimine ters yönde yayılmaları gerekiyor. Her ne kadar daha önce yayılımın daima konsantrasyon eğimi yönünde gerçekleştiğini belirtmiş olsak da, istisnai olarak yukarıdaki şekilde, yayılımın artan konsantrasyon yönünde gerçekleştiğine tanık olabiliyoruz. Yukarı yayılım (İngilizce: uphill diffusion) adını verdiğimiz bu işleyiş, konsantrasyon farkıyla kimyasal potansiyel farkının ters yönlerde oluştuğu, yani düşük konsantrasyondaki atomların yüksek konsantrasyondaki atomlardan daha yüksek potansiyele sahip olduğu koşullarda ortaya çıkıyor. Bu işleyişin ayrıntılarını şimdilik bir kenara bırakacağız; fakat yine de, yayılımın böyle bir işleyişle de gerçekleşebileceğini aklımızda tutmamızda fayda var.


Devamı: