جداسازی فاز

بندانگشتی|دیاگرام فازی برای دو ایزوتوپ هلیوم، که طیفی از دماها و نسبت‌هایی که در آن‌ها جداسازی فازی رخ می‌دهد، نشان داده شده است.

**جداسازی فاز** به فرایندی گفته می‌شود که در آن یک مخلوط یکنواخت به دو یا چند بخش مجزا تقسیم می‌شود که هر بخش خواص و ترکیبات متفاوتی دارد. به عبارت ساده‌تر، موادی که در ابتدا کاملاً با هم مخلوط هستند، در اثر تغییر شرایط فیزیکی یا شیمیایی مثل دما یا فشار از حالت همگن خارج شده و به دو «فاز» مجزا تبدیل می‌شوند. در مثالی ساده، یکی از مرسوم‌ترین مثال‌ها، **مخلوط آب و روغن** است. وقتی آب و روغن را به هم می‌زنید، ابتدا ممکن است به‌نظر برسد که با هم مخلوط شده‌اند؛ اما اگر بگذارید چند دقیقه بماند، روغن و آب به دو لایهٔ جدا از هم تبدیل می‌شوند. این جداسازی همان «جداسازی فاز» است: دو فاز مایع که با یکدیگر مخلوط نمی‌شوند (نامخلوط‌پذیر یا *immiscible*).
بندانگشتی|جداسازی فازی در هنگام مخلوط شدن روغن و سرکه
بندانگشتی|ترکیب سیالات A و B و جدا شدن فازی آنها

## پایهٔ فیزیکی جداسازی فاز
بودن یا نبودن مخلوط‌پذیری مواد به مقدار انرژی آزاد گیبس بستگی دارد. سیستم‌ها تمایل دارند در حالتی باشند که انرژی آزادشان کمتر باشد. اگر مخلوط کردن باعث افزایش انرژی آزاد شود (یعنی وضعیت کم‌انرژی‌تر را از دست بدهد)، مواد از هم جدا شده و فازهای متفاوت تشکیل می‌دهند.

آزادی انرژی به دو جزء تقسیم می‌شود:
* آنتالپی (H): انرژی مربوط به برهم‌کنش‌های مولکولی
* انتروپی (S): میزان بی‌نظمی و احتمال‌های قابل‌دسترس برای مولکول‌ها

در مخلوط‌های واقعی، اگر آنتالپی خیلی مثبت باشد یا آنتروپی نتواند کاهش انرژی را جبران کند، سیستم از هم جدا می‌شود.

## شرایط و نمودارهای فازی
در علم مواد و ترمودینامیک، مفهوم نمودار فاز اهمیت زیادی دارد. حوزه‌هایی در این نمودار وجود دارند که نشان می‌دهند تحت چه دما، فشار یا ترکیبی از مولفه‌ها، جداسازی فاز رخ می‌دهد. در این نمودارها:
* منطقهٔ بینهودال (Binodal): مرز کلی بین ترکیب‌های پایدار و ناپایدار
* منطقهٔ اسپینودال (Spinodal)**:** ناحیه‌ای که مخلوط‌ها آن‌قدر ناپایدارند که حتی بدون تحریک خارجی به‌صورت خودبه‌خود از هم جدا می‌شوند *(فرایندی که به آن «تفکیک اسپینودال» می‌گویند)*

## انواع جداسازی فاز
# تفکیک اسپینودال (Spinodal decomposition): در این مکانیزم، مخلوط به‌طور طبیعی و بدون نیاز به شکل‌گیری هسته‌های اولیه (nucleation) از هم جدا می‌شود؛ یعنی به‌دلیل ناپایداری ذاتی، فازها با الگوهای پیچیده و به‌هم‌تنیده شکل می‌گیرند و سپس به‌مرور بزرگ‌تر می‌شوند.
# جداسازی معمولی با هسته‌زایی: در این حالت، جداسازی با شکل‌گیری هسته‌های کوچک فاز دوم آغاز می‌شود و سپس این هسته‌ها رشد می‌کنند تا فازهای جداگانه شکل بگیرند.

## فاکتورهایی که باعث جداسازی فاز می‌شوند
* تغییر دما: برای برخی مخلوط‌ها، وقتی دما بالا یا پایین می‌رود، مخلوط از هم جدا می‌شود.
* تغییر فشار: در سیستم‌های گازی یا مایع تحت فشار، فشار می‌تواند باعث ایجاد فازهای متفاوت شود.
* ترکیب شیمیایی: اگر مقدار یکی از اجزا افزایش یا کاهش یابد، ممکن است مخلوط دیگر پایدار نباشد.

## کاربردهای علمی و صنعتی
* بیوشیمی و سلولی: در سلول‌های زنده، مولکول‌هایی مثل پروتئین‌ها و RNA می‌توانند به‌صورت خودبه‌خود فازهای جداگانه تشکیل دهند که به آنها کاندنسیت‌های بیومولکولی گفته می‌شود. این‌ها اهمیت زیادی در عملکرد سلولی دارند، مثل تشکیل اجزای «بدون غشاء» در داخل سلول.
* فیزیک مواد: در علوم مواد برای تولید شیشه‌های خاص، پلیمرها، یا ساختارهای نانو، جداسازی فاز یک فرایند کلیدی است.
* مهندسی شیمی: در تصفیه، جداسازی مایعات، و جداسازی حلال‌ها، از اصول جداسازی فاز بهره می‌گیرند.
* نمونه‌های دیگر: مخلوط دو ایزوتوپ گاز هلیوم در دماهای خیلی پایین می‌تواند از هم جدا شود و بخش‌هایی با غلظت‌های متفاوت تشکیل دهد. در برخی مایعات تحت فشار بالا، مانند آب در شرایط خاص، می‌تواند هم بخار و هم مایع شور به‌صورت همزمان وجود داشته باشد، که نتیجهٔ جداسازی فاز است.

## منابع
# Nic M, Jirat J, Kosata B (1997). "Phase separation". In McNaught AD, Wilkinson A, Jenkins A (eds.). *IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the "Gold Book")* (2nd ed.). Oxford: Blackwell Scientific Publications. doi:10.1351/goldbook.P04534. ISBN 0-9678550-9-8.
# P.W. Atkins and J. de Paula, "Atkins' Physical Chemistry" (8th edn, W.H. Freeman 2006) pp. 186-7
# M. A. White, *Properties of Materials* (Oxford University Press 1999) p. 175
# Pobell, Frank (2007). *Matter and methods at low temperatures* (3rd rev. and expanded ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-46356-6. OCLC 122268227.
# Carlson, J. ; Reddy, Sanjay (2005-08-02). "Asymmetric Two-Component Fermion Systems in Strong Coupling". *Physical Review Letters*. **95** (6) 060401. arXiv:cond-mat/0503256. Bibcode:2005PhRvL..95f0401C. doi:10.1103/PhysRevLett.95.060401. . S2CID 448402.
# Shin, Y. ; Zwierlein, M. W. ; Schunck, C. H. ; Schirotzek, A. ; Ketterle, W. (2006-07-18). "Observation of Phase Separation in a Strongly Interacting Imbalanced Fermi Gas". *Physical Review Letters*. **97** (3) 030401. arXiv:cond-mat/0606432. Bibcode:2006PhRvL..97c0401S. doi:10.1103/PhysRevLett.97.030401. . S2CID 11323402.
# Zwierlein, Martin W. ; Schirotzek, André; Schunck, Christian H. ; Ketterle, Wolfgang (2006-01-27). "Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations". *Science*. **311** (5760): 492–496. arXiv:cond-mat/0511197. Bibcode:2006Sci...311..492Z. doi:10.1126/science.1122318. ISSN 0036-8075. . S2CID 13801977.
# Kopyciński, Jakub; Pudelko, Wojciech R. ; Wlazłowski, Gabriel (2021-11-23). "Vortex lattice in spin-imbalanced unitary Fermi gas". *Physical Review A*. **104** (5) 053322. arXiv:2109.00427. Bibcode:2021PhRvA.104e3322K. doi:10.1103/PhysRevA.104.053322. S2CID 237372963.

رده:تعادل شیمیایی
رده:حلال‌ها
رده:فیزیک ماده چگال
رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر