Диффузия в твердых телах

Еще одним примером явлений, которые связаны с нанодиапазоном, является диффузия. Любой человек видел диффузию в жидкости, например, самопроизвольное (без перемешивания) распространение окрашенного вещества в жидкости. Скажем, сиропа, краски или "марганцовки" в стакане воды. Очень похоже выглядит диффузия в газе, примерами которой могут служит распространение дыма или запаха в воздухе. Увидеть диффузию в твердом теле в нормальных условиях невозможно, потому что при обычной температуре она происходит слишком медленно. Скорость диффузии в твердом теле очень сильно зависит от того, что именно диффундирует, в чем оно диффундирует, при какой температуре и даже в каком направлении. Поэтому привести точные значения скорости диффузии в твердых телах вряд ли возможно, но значения порядка 30 - 100 нм / с при комнатной температуре будут очень типичными.

Однако гораздо важнее не скорость диффузии, а так называемый средний свободный пробег частицы (молекулы, атома, иона - неважно), то есть среднее расстояние, которое она проходит до того, как столкнется с другой частицей или еще каким-либо препятствием и остановится, а потом начнет двигаться в другом направлении. Оказывается, при комнатной температуре средний диффузионный свободный пробег в большинстве твердых веществ составляет порядка 100 нанометров. Это значит, что любой процесс, связанный с диффузией, происходит совершенно по-разному для частицы размером, к примеру,  50 нанометров по сравнению с частицей того же вещества размером полмикрона. К таким процессам относятся, например, многие виды коррозии, обугливание древесины, заряд-разряд батарейки в сотовом телефоне и огромное количество других.

Не менее важной является диффузия дефектов. Дефект - это некоторое отклонение от нормального расположения атомов в твердом веществе. Например, на рисунке справа показаны целых три простых дефекта. Цифрой 1 обозначен дефект типа "вакансия" - отсутствие атома там, где ему положено быть. Цифрой 2 обозначено "самовнедрение" - появление атома того же типа, из которого образован материал, на том месте, где его не должно быть. И цифрой 3 обозначена "примесь" - атом, которого в идеальном случае вообще не должно быть в этом веществе. Дефекты есть в любом твердом веществе - их появление связано с энтропией - могущественной силой, управляющей очень многими вещами в нашем мире. Дефекты "несут ответственность" за огромное количество явлений, как плохих так и хороших. Без дефектов не было бы электроники, потому что все полупроводники основаны на особых дефектах. Без дефектов не было бы никаких сплавов, керамики, древесины. Когда мы сгибаем проволоку, чтобы изменить ее форму, чеканим, штампуем, мы передвигаем дефекты с места на место. Дефекты могут передвигаться и самостоятельно, и такое их движение тоже относится к диффузии. Значит, имеет смысл говорить о средней длине диффузионного свободного пробега дефектов. Оказывается, при комнатной температуре и он обычно составляет порядка 100 нанометров. Из этого следует немало интересных выводов. Например, из этого следует, что одно и то же вещество имеет резко различную прочность и пластичность и совершенно по-разному проводит электрический ток при изменении размеров частицы менее 100 нанометров.