نفوذ اتمی یک فرایند انتشار است که در آن، حرکت حرارتی تصادفی اتم‌ها در یک جامد منجر به انتقال خالص اتم‌ها می‌شود.

یون‌های +H در یک شبکه -2 O از یخ فوق یونی پخش می‌شوند

به‌طور کلی نفوذ به دو دستهٔ نفوذ در سیال (مایعات و گازها) و نفوذ در جامدات تقسیم می‌شود.

نفوذ در سیال، حاصل حرکت رندوم و براونی است.

به عنوان مثال، اتم‌های هلیم درون یک بالون می‌توانند از دیواره بالون پخش شده و خارج شوند و در نتیجه بادکنک به آرامی تخلیه شود. سایر مولکول‌های هوا (مانند اکسیژن و نیتروژن) جنب و جوش کم تری دارند در نتیجه، آهسته‌تر در دیواره بالون پخش می‌شوند. در دیواره بالون یک گرادیان غلظت وجود دارد، زیرا بالون در ابتدا با هلیم پر شده بود، بنابراین مقدار زیادی هلیم در داخل بالون وجود دارد، اما هلیم نسبتاً کمی در خارج بالون وجود دارد (هلیم جزء اصلی هوا نیست). نرخ انتقال توسط نفوذ و گرادیان غلظت کنترل می‌شود.

ترکیب آلومینیوم و نیکل، مثال خوبی برای نفوذ در جامدات می‌باشد؛ چرا که روی سطح آن، حلقه‌های مختلفی تشکیل می‌شود و این حلقه‌ها بزرگ‌تر می‌شوند. دلیل این رویداد این است که اتم‌ها به سطح می‌آیند و در جای سابق آن‌ها، حفره شکل می‌گیرد.

نفوذ در جامدات

در جامدات، دو نوع نفوذ داریم که یکی خود نفوذی و دیگری، نفوذ بینابینی است.

در خود نفوذی، اتم‌های یک عنصر در شبکهٔ آن عنصر جابه‌جا می‌شوند.

در نفوذ بینابینی، اتم‌های یک عنصر در داخل اتم‌های عنصری دیگر از یک شبکه قرار می‌گیرد. در واقع در نفوذ بینابینی، اتم‌های یک عنصر نسبت به عنصری دیگر جابه‌جا می‌شوند.

 
نفوذ اتمی در یک شبکه مکعبی: توجه داشته باشید که اتم ها اغلب جلوی یکدیگر را برای حرکت به مکان‌های مجاور می‌گیرند. طبق قانون فیک، شار خالص (یا حرکت اتم‌ها) همیشه در جهت مخالف گرادیان غلظت است .

در جامد کریستالی، نفوذ در داخل شبکه کریستالی توسط مکانیزم‌های بینابینی یا جانشینی رخ می‌دهد و به آن نفوذ شبکه می‌گویند.[۱] در نفوذ شبکه بینابینی، یک پخش کننده (مانند C در آلیاژ آهن)، در بین ساختار شبکه یک عنصر کریستالی دیگر پخش می‌شود. در نفوذ شبکه جانشینی (به عنوان مثال، خود نفوذی)، اتم تنها می‌تواند با جایگزینی مکان با اتم دیگری حرکت کند. نفوذ شبکه جانشینی اغلب مشروط به در دسترس بودن نقاط خالی در سراسر شبکه کریستالی است. ذرات پراکنده با پرش سریع و اساساً تصادفی به اطراف (انتشار پرش) از جای خالی به نقطه خالی مهاجرت می‌کنند.

به عاملی که از نفوذ اتم ممانعت می‌کند، سد انرژی می‌گویند.

سد انرژی در مکانیزم بینابینی از مکانیزم تهی جایی، کم‌تر است بنابراین سرعت نفوذ در آن از مکانیزم تهی جایی بیش تر است.

کاربردهای نفوذ اتمی:

  1. سخت سازی آهن با استفاده از نفوذ کربن در آن و افزایش درصد کربن در آهن: سخت سازی فولاد به‌طور مستقیم و با افزایش درصد کربن در آلیاژ آن، هم کار دشواری است و هم موجب ترد شدن فولاد می‌شود؛ بنابراین با استفاده از نفوذ کربن می‌توانیم آهن را به‌طور بهینه ای سخت کنیم.
  2. مثبت و منفی کردن نیمه رسانا با استفاده از نفوذ اتم: از آن جا که نیمه رساناها از جنس سیلیکن (سیلیسیم) هستند، می‌توان با نفوذ فسفر یا آلومینیوم در سیلیسیم، برخی از قسمت‌های نیمه رسانا را منفی یا مثبت کرد.

روابط:

نفوذ فرایند وابسته به زمان است.[۲]

سرعت نفوذ (شار) را به شکل زیر بررسی می‌کنیم:

 
در فرمول فوق، M جرم یا مقدار مول ماده نفوذکننده، A سطح نفوذ و t زمان نفوذ است.

یک اتم جهش‌های متعددی را به عمل می‌آورد که ممکن است منجر به قرار گرفتن در یک حفره شود. برای یک اتم در یک کریستال بدون نقص، حرکت را می‌توان با مدل "راه رفتن تصادفی" توصیف کرد. در ۳ بعدی می‌توان نشان داد که بعد از   n جهش با طول α، اتم به‌طور میانگین، r را می‌پیماید:

 

با کمک قانون اول فیک، شار را می‌توان برحسب غلظت و فاصله نیز به دست آورد:

 
در رابطه فوق، ِ D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می‌باشد.

قانون دوم فیک که برخلاف قانون اول، شرط زمان را لحاظ می‌کند، به شکل زیر است:

 
در رابطه فوق مانند رابطهٔ قبلی، D ضریب نفوذ، C غلظت و X فاصله و موقعیت مکانی می‌باشد. t نیز زمان می‌باشد.

مقدار فاصله ای که اتم می‌پیماید با مجذور حاصل ضرب فرکانس جهش در زمان، تناسب دارد. در رابطهٔ زیر، T فرکانس جهش و t زمان است.

فرکانس جهش به معنای تعداد جهش در واحد زمان می‌باشد و واحد آن، جهش بر ثانیه است.

 

ضریب نفوذ را می‌توان برای مواد مختلف از رابطهٔ زیر محاسبه کرد:

 
در رابطهٔ فوق، D0 ثابت اکسپوننشیال، Qd انرژی اکتیواسیون، R ثابت گازها و T دمای مطلق می‌باشد.

R برابر با ۸٫۳۱۴ ژول بر مول در کلوین است.

به تفاوت انرژی آزاد بین وضعیت نرمال و فعال، انرژی اکتیواسیون می‌گویند.[۳]

عوامل مؤثر در نفوذ:

نفوذ در مواد پلی کریستالی می‌تواند مکانیسم‌های نفوذ اتصال کوتاه را شامل شود. برای مثال، در امتداد مرزدانه‌ها و برخی عیوب کریستالی مانند نابجایی که در اثر تغییر شکل کریستال یا در هنگام انجماد یا عملیات حرارتی به وجود می‌آید،[۴] فضای باز بیشتری وجود دارد؛ در نتیجه انرژی اکتیواسیون کمتری برای نفوذ فراهم می‌شود؛ بنابراین، نفوذ اتمی در مواد پلی کریستالی اغلب با استفاده از یک ضریب نفوذ مؤثر، که ترکیبی از شبکه و ضرایب نفوذ مرز دانه است، مدل‌سازی می‌شود. به‌طور کلی، نفوذ سطحی بسیار سریع تر از نفوذ مرز دانه و نفوذ مرز دانه بسیار سریع تر از نفوذ شبکه رخ می‌دهد.

در زمان یکسان، بین نشینی، ضریب نفوذ بیش تری دارد چرا که اتم در حفرات حرکت می‌کند و نیاز به جابجایی حفره نیست. به‌طور مثال، ضریب نفوذ کربن در آهن از آهن در آهن بیش تر است.

هرچه ساختار، تراکم کم تری داشته باشد، فاصله‌ها بیش تر و فضای باز بیش تر است؛ بنابراین ضریب نفوذ بیش تر است.

هرچه دما افزایش یابد، ضریب نفوذ نیز افزایش خواهد یافت و بالعکس.

جستارهای وابسته

پیوند به بیرون

نفوذ کلاسیک و نانو مقیاس با شکل و انیمیشن

منابع

  1. Heitjans, P. ; Karger, J. , eds. (2005). Diffusion in condensed matter: Methods, Materials, Models (2nd ed.). Birkhauser. ISBN 3-540-20043-6.
  2. Materials Science and Engineering, 10th edition, William D. Callister, JR. David G. Rethwisch, Chapter 5, Page 124.
  3. «KINETICS OF MASS TRANSPORT AND PHASE TRANSFORMATIONS».
  4. «آشنایی با نابجایی ها».