Primene difuzije

Difuzija je ključni proces, prisutan u mnogim oblastima nauke o materijalima. Ovde su bliže opisuju neke primene:

Cementacija

Cementacija je postupak termičke obrade gde se ugljenik uvodi difuzijom u površinski sloj čelika radi povećanja tvrdoće. Ugljenik formira karbidne precipitate (nataložene čestice) (naročito kada čelik sadrži karbidoobrazujuće elemente, kao što su Mn ili Mo), koji predstavljaju prepreke za kretanje dislokacija i sprečavaju klizanje, tako da materijal ojačava. Međutim, povećani sadržaj ugljenika smanjuje istovremeno žilavost materijala. U većIni slučajeva je bitno da je površina čelika tvrda, a unutrašnjost materijala može ostati mekša, a da se time ne narušavaju osobine date komponente. Stoga, ugljenik se često uvodi difuzijom u površinski sloj materijala da bi delovi imali dobru površinsku tvrdoću, a istovremeno dobru žilavost unutar zapremine materijala.

Cementirani čelik, gde se vidi povećani sadržaj ugljenika na spoljnjoj površini

Ovaj postupak se izvodi zagrevanjem čelika u atmosferi bogatoj ugljenikom, tako da postoji gradijent koncentracije ugljenika od granične površine ka unutrašnjosti materijala. Ugljenik difunduje u čelik, a na povišenoj temperaturi ceo proces se ubrzava. Profil koncentracije je određen Fick-ovim drugim zakonom, jer je u pitanju praktično beskonačni izvor ugljenika.

Nuklearni otpad

U ovom primeru, difuzija je uzrok problema koji treba da se reši. Radioaktivni otpad u proizvodnji nuklearne energije treba da se skladišti na takav način da radioaktivni atomi ne napuštaju posudu difuzijom sve dok se nivoi radioaktivnosti značajno ne smanje. Ovo može da bude veoma dug period: često oko 1000 godina. Stoga, posuda treba da je od materijala sa vrlo niskim koeficijentom difuzije atoma (a takođe treba da je veće debljine, kako bi difuziono rastojanje bilo što veće). Na taj način se obezbeđuje duže vreme za difuziju atoma kroz posudu.

U opštem slučaju, radioaktivni atomi su rastvoreni u staklenoj matrici, na primer, od borosilikatnog stakla. Koeficijent difuzije atoma je mali za ovo staklo, pa je malo verovatno da će atomi difuzijom napustiti staklo tokom perioda radioaktivnosti. Staklo se zatim hermetički zatvara unutar čelične posude i zatrpava duboko u zemlju ispod stena, na udaljenim mestima, daleko od naseljenih oblasti.

Poluprovodnici

Galijum-nitrid poluprovodnička LED specijalne namene

Poluprovodnici se mogu proizvesti dopingovanjem jednog materijala (često silicijum) sa manjim brojem atoma drugog materijala, različite valence. Ovo je dopingovanje, i time se podrazumeva da postoje dopunski nosioci naelektrisanja u materijalu (elektroni - ako je valenca dopanta veća od valence silicijuma, ili šupljine - ako je valenca manja).

Dopingovanje se obično izvodi tehnikama difuzije: silicijum se smešta u sredinu sa gasom koji se sastoji od atoma dopanta i zagreva se na povišenu temperaturu. Atomi dopanta difunduju niz gradijent hemijskog potencijala u silicijum. Kao i kod cementacije, ovaj postupak se bazira na Fick-ovom drugom zakonu. U praksi, proces difuzije se odvija u dve faze. Nakon početne difuzije opisane gore, atomi se koncentrišu uglavnom na površini silicijuma. Uzorak zato treba da se žari radi tog “uvođenja” atoma, tako da atomi prodiru dublje kroz površinu.