Diffusione allo stato solido
La diffusione solida descrive il movimento di atomi, ioni o elettroni all'interno di un solido. Rispetto alla diffusione di gas o liquidi, è estremamente lenta: è la forma più lenta di trasporto di massa a livello atomico. Tuttavia, svolge un ruolo decisivo in molti processi industriali e tecnologici.
La diffusione solida è utilizzata in particolare nella metallurgia delle polveri o nella ceramica meccanica, ad esempio. In questo caso, i materiali estranei finemente dispersi - metalli, ossidi o carburi - vengono compattati ad alta pressione e poi sinterizzati. Durante la sinterizzazione, le particelle penetrano nelle particelle vicine ai confini dei grani o attraverso il reticolo cristallino. Si ottengono così materiali compositi densi e solidi con proprietà personalizzate.
Un altro esempio di utilizzo tecnico è la produzione di componenti per semiconduttori. Nella microelettronica, i droganti (ad esempio, boro e fosforo) vengono introdotti selettivamente nei cristalli di silicio mediante diffusione allo stato solido, al fine di generare proprietà elettriche definite.
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Tuttavia, la diffusione solida non è solo un effetto utile, ma può anche portare a problemi. Un esempio ben noto è il fenomeno dell'infragilimento da idrogeno: l'idrogeno puro può diffondersi in metalli come l'acciaio o il titanio per un lungo periodo di tempo. Questo porta a cambiamenti strutturali nella microstruttura del materiale, che possono causare infragilimento o rottura del materiale. Questo problema è particolarmente rilevante per tubazioni, serbatoi ad alta pressione, valvole e componenti della tecnologia dell'idrogeno.
Ulteriori esempi di diffusione allo stato solido:
- Protezione dalla corrosione e diffusione termica: per rivestire gli acciai si utilizzano elementi di diffusione come alluminio, cromo o zinco.
- Legame per diffusione: due superfici metalliche si uniscono a temperatura e pressione senza fondersi - la giunzione si crea esclusivamente per scambio atomico.
- Batterie agli ioni di litio: Durante il processo di carica e scarica, gli ioni di litio si diffondono attraverso la struttura dell'elettrodo solido.
- Colorazione del vetro o della ceramica: gli ioni (ad esempio cobalto, rame, ferro) si diffondono nella matrice solida durante il processo di cottura e creano sfumature di colore.
La diffusione dei solidi può essere controllata termicamente (tramite la temperatura) o chimicamente (tramite gradienti di concentrazione). Di solito è irreversibile e dipende fortemente dalla struttura cristallina, dalle forze di legame e dalla temperatura.