La diffusion

Le classement de la diffusion

La catégorisation de base est basée sur l’état physique. Selon ce facteur, on distingue la diffusion en phases solide, liquide et gazeuse. En pensant aux atomes diffusants, on peut distinguer deux catégories. Le premier est la diffusion chimique, qui se produit lorsque les atomes d’un élément se déplacent par rapport aux atomes de la matrice. La seconde est l’autodiffusion, causée par les mouvements d’atomes de même nature les uns par rapport aux autres. La diffusion en phase solide peut être divisée en :

• la diffusion du réseau, se produisant dans les cristaux qui ne contiennent pas de défauts linéaires et de surface,
• diffusion volumétrique, lorsque le cristal présente des dislocations,
• le long de la luxation,
• le long des joints de grains,
• diffusion superficielle sur la surface libre du cristal.

Le mécanisme des lacunes en diffusion

Le phénomène est basé sur l’échange d’un atome avec une lacune, c’est-à-dire un défaut ponctuel dans le réseau cristallin, qui est aussi un nœud non rempli d’atome ou d’ion. La condition pour que le mécanisme se produise est la présence de tels sites, ce qui nécessite à son tour la fourniture d’une énergie thermique adéquate. La barrière de potentiel entourant les atomes doit également être rompue, ce qui nécessite également une certaine quantité d’énergie. L’énergie nécessaire, appelée énergie d’activation de diffusion, est fournie par les oscillations thermiques des atomes. Pour cette raison, la relation entre la probabilité d’une lacune et son échange avec les atomes, et la température, est énorme et augmente de façon exponentielle. Lors de l’apparition de ce mécanisme, outre les flux dirigés d’atomes diffusants, des flux de lacunes dirigés dans la direction opposée sont également créés.

Le mécanisme interstitiel en diffusion

Ce type de mécanisme suppose des sauts successifs d’atomes interstitiels avec des atomes de matrice. Ces atomes sont ceux qui ont de petits diamètres par rapport aux atomes de la matrice. Des sauts se produisent d’un défaut interatomique à un défaut adjacent. Dans chaque réseau cristallin, même le plus dense, il existe deux types de défauts. Les octaèdres sont des défauts plus grands, tandis que les tétraédriques sont des défauts plus petits. A l’aide de ce mécanisme diffusee.g. des atomes d’hydrogène, de carbone, d’azote ou d’oxygène. Tous sauf l’hydrogène ont des diamètres si grands par rapport aux défauts qu’ils exercent des contraintes de compression dans le réseau. Le mécanisme se produit beaucoup plus rapidement que le mécanisme de diffusion des lacunes, car l’énergie nécessaire à son activation est jusqu’à moitié inférieure. Elle ne dépend pas de la présence de lacunes, mais de la densité de remplissage du réseau.

Diffusion aux joints de grains

Facteurs affectant la vitesse de diffusion dans les solides

1. La température est directement liée aux oscillations thermiques des atomes. Ceux-ci, à leur tour, sont chargés de fournir l’énergie nécessaire au saut de l’atome d’un nœud à l’autre. La vitesse de diffusion augmente avec l’augmentation de la température.
2. La densité des défauts est un facteur déterminant la vitesse de diffusion. Dans le cas des dislocations et des défauts ponctuels, plus leur concentration est élevée, plus la vitesse de diffusion est élevée. L’inverse est vrai dans le cas des complexes de défauts, qui réduisent la vitesse de diffusion.
3. Une augmentation de la pression totale diminue la vitesse de diffusion dans les systèmes situés dans une atmosphère qui ne réagit pas avec le matériau. Une importance particulièrement grande du facteur est observée à des pressions élevées.

Le mécanisme de diffusion dans les solides

Les atomes dans les solides, dans les cristaux, changent constamment de place. Par diffusion, nous entendons leur migration dans le réseau cristallin. Un atome ne peut sauter que s’il y a un espace libre dans son voisinage et que l’atome lui-même a une énergie d’activation suffisante. Lors de l’examen des oscillations des atomes dans le réseau cristallin, il convient de tenir compte du fait que :

• à des températures supérieures au zéro absolu, chaque atome oscille à haute fréquence autour de sa position.
• tous les atomes n’oscillent pas avec la même fréquence et la même amplitude en même temps,
• les atomes ont des énergies différentes
• le même atome peut avoir une énergie différente à un moment différent,
• l’énergie des atomes augmente avec la température.

Diffusion en solution

Du fait que les molécules du solvant et du soluté sont en mouvement constant, leur propagation conduit à une répartition uniforme de la concentration dans tout le volume. Le gradient de concentration est un facteur qui active la diffusion et provoque le flux de molécules, éliminant la différence de concentration. Sa vitesse est directement proportionnelle au gradient de concentration.

Diffusion de gaz

C’est le processus le plus rapide par rapport aux autres états physiques. La propagation spontanée des molécules de gaz est causée par le mouvement cinétique moléculaire. La vitesse est causée par la présence de grands espaces entre les particules, qui peuvent facilement être occupés par d’autres substances. Une augmentation de la température augmente encore la vitesse de diffusion en augmentant la vitesse des particules libres.

Les lois de diffusion de Fick

Deux lois introduites par Fick décrivent le processus de diffusion, quel que soit l’état physique :

1. La première loi de Fick décrit la relation entre le flux d’une substance diffusante et son gradient de concentration. Le flux est la quantité d’une substance qui se déplace dans une unité de temps à travers une unité de surface perpendiculaire au flux.
2. La deuxième loi de Fick décrit la relation entre le taux de changement local de la concentration d’une substance diffusante et son gradient de concentration.

Pour chaque système, il existe également un coefficient de diffusion, qui dépend de la vitesse moyenne des molécules, c’est-à-dire également de la température, et du libre parcours moyen des molécules. Exemples quotidiens de diffusion :

1. Passage rapide des odeurs dans une pièce.
2. Pénétration d’oxygène dans le sang lors de la respiration.
3. Particules issues des feuilles de thé se répandant dans le récipient lors de l’infusion, jusqu’à la totalité du volume.
4. Teinture de fibres – étalement d’encre/pigment.
5. Diffusion des saveurs et des arômes lors de l’assaisonnement.