النفاذية

في الفيزياء والهندسة ، يُعرف النفاذ (أو التغلغل ) بأنه اختراق مادة نافذة ( سائل أو غاز أو بخار ) لجسم صلب. ويرتبط النفاذ ارتباطًا مباشرًا بتدرج تركيز المادة النافذة، ونفاذية المادة الذاتية ، ومعامل انتشار كتلتها . ^{[ 1 ]} يُنمذج النفاذ بمعادلات مثل قوانين فيك للانتشار ، ويمكن قياسه باستخدام أدوات مثل مقياس النفاذية المصغر .

تتضمن عملية النفاذية انتشار جزيئات، تُسمى المادة النافذة، عبر غشاء أو سطح فاصل. وتتم النفاذية عن طريق الانتشار؛ حيث تنتقل المادة النافذة من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات تركيز منخفض عبر السطح الفاصل. يمكن أن تكون المادة شبه نفاذة، بوجود غشاء شبه نفاذ . ولا تستطيع الانتشار عبر هذا الغشاء إلا الجزيئات أو الأيونات ذات خصائص معينة. تُعد هذه آلية بالغة الأهمية في علم الأحياء، حيث يلزم تنظيم ومراقبة السوائل داخل الأوعية الدموية. يمكن أن تحدث النفاذية عبر معظم المواد، بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات. ومع ذلك، فإن نفاذية المعادن أقل بكثير من نفاذية السيراميك والبوليمرات نظرًا لبنيتها البلورية ومساميتها.

تُعدّ النفاذية عاملاً بالغ الأهمية في العديد من تطبيقات البوليمرات، نظراً لنفاذيتها العالية. وتعتمد النفاذية على درجة حرارة التفاعل، فضلاً عن خصائص كلٍّ من البوليمر والمادة النافذة. ومن خلال عملية الامتزاز ، يمكن امتصاص جزيئات المادة النافذة أو إطلاقها عند السطح البيني. ويمكن قياس نفاذية المادة باستخدام طرق عديدة تُحدّد كمياً نفاذية مادة معينة عبر مادة محددة.

تُقاس النفاذية الناتجة عن الانتشار بوحدات النظام الدولي للوحدات (مول/(م·ث·باسكال))، مع أن وحدات البارير شائعة الاستخدام أيضًا. يجب عدم الخلط بين النفاذية الناتجة عن الانتشار والنفاذية (في علوم الأرض) الناتجة عن تدفق السوائل في المواد الصلبة المسامية، والتي تُقاس بوحدة دارسي. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• المادة النافذة: المادة أو النوع أو الأيون أو الجزيئات التي تتخلل المادة الصلبة.
• شبه النفاذية: خاصية المادة التي تكون نفاذة لبعض المواد فقط وليس لغيرها.
• قياس النفاذية: طريقة لتحديد كمية نفاذية مادة ما لمادة معينة.

• التغليف : يجب أن تتناسب نفاذية العبوة (المواد، والأختام، والأغطية، إلخ) مع حساسية محتويات العبوة وفترة صلاحيتها المحددة . ^{[ 4 ]} بعض العبوات تتطلب أختامًا محكمة الإغلاق تقريبًا ، بينما يمكن (بل يجب أحيانًا) أن تكون عبوات أخرى ذات نفاذية انتقائية. ^{[ 5 ]} لذا، فإن معرفة معدلات النفاذية الدقيقة أمرٌ بالغ الأهمية. ^{[ 6 ]}

• الإطارات : يجب أن ينخفض ​​ضغط الهواء في الإطارات ببطء قدر الإمكان. الإطار الجيد هو الذي يسمح بأقل قدر من تسرب الغاز. يحدث نفاذية للغاز مع مرور الوقت في الإطارات، لذا من الأفضل معرفة نفاذية المادة المصنوع منها الإطار بالغاز المطلوب للحصول على إطارات بأعلى كفاءة.
• مادة العزل: يعد نفاذ بخار الماء لمادة العزل أمرًا مهمًا، وكذلك بالنسبة للكابلات البحرية لحماية الموصل من التآكل .
• خلايا الوقود : تُجهز السيارات بخلايا وقود ذات غشاء بوليمر إلكتروليتي (PEM) لتحويل وقود الهيدروجين والأكسجين الموجودين في الغلاف الجوي إلى كهرباء. مع ذلك، لا تُنتج هذه الخلايا سوى حوالي 1.16 فولت من الكهرباء. ولتشغيل السيارة، تُجمع عدة خلايا في مجموعة. ويعتمد ناتج الطاقة للمجموعة على عدد وحجم خلايا الوقود الفردية.
• الأنابيب الحرارية البلاستيكية والأنابيب المتصلبة بالحرارة: يمكن اعتبار الأنابيب المصممة لنقل المياه تحت ضغط عالٍ فاشلة عندما يكون هناك تسرب ملحوظ للمياه عبر جدار الأنبوب إلى السطح الخارجي للأنبوب.
• الاستخدامات الطبية: يُستخدم مبدأ النفاذية أيضًا في المجال الطبي، وتحديدًا في توصيل الأدوية . تحتوي لصقات الأدوية المصنوعة من مادة بوليمرية على خزان كيميائي مُحمّل بكمية تفوق ذوبانيته، ثم يُنقل إلى الجسم عن طريق التلامس. ولكي تُطلق المادة الكيميائية نفسها في الجسم، يجب أن تتخلل وتنتشر عبر الغشاء البوليمري، وفقًا لتدرج التركيز. ونظرًا لذوبانية الخزان العالية، فإن نقل الدواء يتبع آلية الانفجار والتأخير. يكون معدل انتقال الدواء مرتفعًا عند ملامسة اللصقة للجلد، ولكن مع مرور الوقت، يتشكل تدرج في التركيز، مما يعني أن توصيل الدواء يستقر عند معدل ثابت. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في توصيل الأدوية، ويُستخدم في حالات مثل نظام أوكوسرت. ولكن يمكن أيضًا إيجاد حالة معاكسة في المجال الطبي. نظرًا لأن الأمبولات قد تحتوي على أدوية حساسة للغاية للحقن، فمن الضروري أن تمنع المادة المستخدمة دخول أي نوع من المواد إلى المنتج الدوائي أو تبخره منه. ولذلك، تُصنع الأمبولات غالبًا من الزجاج ، ونادرًا ما تُصنع من مواد اصطناعية.
• الاستخدامات التقنية: في صناعة مصابيح الهالوجين ، يجب تغليف غازات الهالوجين بإحكام شديد. يُعد زجاج الألومينوسيليكات حاجزًا مثاليًا لتغليف الغاز. ولذلك، تُعتبر عملية الانتقال إلى القطب الكهربائي بالغة الأهمية. وبفضل توافق التمدد الحراري بين جسم الزجاج والمعدن، تتم عملية الانتقال بسلاسة.

يمكن قياس نفاذية الأغشية الرقيقة باستخدام أي غاز أو سائل. ^{[ 7 ]} تعتمد إحدى الطرق على وحدة مركزية مفصولة بغشاء الاختبار: يُضخ غاز الاختبار من أحد جانبي الخلية، بينما يُنقل الغاز المُنفذ إلى الكاشف بواسطة غاز ناقل. يوضح الرسم التخطيطي على اليمين خلية اختبار للأغشية الرقيقة، المصنوعة عادةً من معادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ . تُظهر الصورة خلية اختبار للأنابيب مصنوعة من الزجاج ، تشبه مكثف ليبيغ . يوضع وسط الاختبار (سائل أو غاز) في الأنبوب الأبيض الداخلي، ويُجمع المُنفذ في الفراغ بين الأنبوب والجدار الزجاجي. ثم يُنقل بواسطة غاز ناقل (متصل بالوصلة العلوية والسفلية) إلى جهاز التحليل.

يمكن قياس النفاذية أيضًا عن طريق التلامس المتقطع. تتضمن هذه الطريقة أخذ عينة من المادة الكيميائية المراد اختبارها ووضعها على سطح المادة المراد مراقبة نفاذيتها، مع إضافة أو إزالة كميات محددة من المادة الكيميائية. بعد فترة زمنية محددة، تُحلل المادة لتحديد تركيز المادة الكيميائية في جميع أنحاء بنيتها. وبمعرفة مدة بقاء المادة الكيميائية على سطح المادة وتحليلها، يمكن تحديد النفاذية التراكمية للمادة الكيميائية.

يوضح الجدول التالي أمثلة على معامل النفاذية المحسوب لبعض الغازات عبر غشاء السيليكون.

* 1 بارر = 10 ⁻¹⁰ سم ³ (STP) · سم /سم ² · ثانية · سم-زئبق

ما لم يُذكر خلاف ذلك، تُقاس النفاذية وتُبلغ عنها عند 25  درجة مئوية (RTP) وليس (STP). من: دبليو إل روب. أغشية السيليكون الرقيقة - خصائص نفاذيتها وبعض تطبيقاتها. حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم ، المجلد 146، (يناير 1968) العدد 1، المواد في، الصفحات  119-137 ^{[ 8 ].}

يمكن نمذجة تدفق كتلة المادة المتسربة عبر المادة الصلبة بواسطة قانون فيك الأول .

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {\partial \varphi }{\partial x}}{\bigg .}}$

يمكن تعديل هذه المعادلة إلى صيغة بسيطة للغاية يمكن استخدامها في المسائل الأساسية لتقريب النفاذية عبر الغشاء.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {C_{2}-C_{1}}{\delta }}{\bigg .}}$

أين

• ${\displaystyle J}$هو "تدفق الانتشار"
• ${\displaystyle \,D}$معامل الانتشار أو الانتشار الكتلي
• ${\displaystyle C}$هو تركيز المُرشَّح
• ${\displaystyle \,\delta }$سمك الغشاء

يمكننا أن نقدم${\displaystyle S}$في هذه المعادلة، التي تمثل معامل توازن الامتزاز، وهو ثابت التناسب بين الضغط (${\displaystyle p}$) و${\displaystyle C}$يمكن تمثيل هذه العلاقة على النحو التالي:${\displaystyle C=Sp}$.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {S(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

يمكن دمج معامل الانتشار مع معامل توازن الامتزاز للحصول على الشكل النهائي للمعادلة، حيث${\displaystyle P}$نفاذية الغشاء. والعلاقة بينهما هي${\displaystyle P=SD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

في التطبيقات العملية، عند دراسة الغازات المتخللة للمعادن، توجد طريقة لربط ضغط الغاز بتركيزه. توجد العديد من الغازات على شكل جزيئات ثنائية الذرة في الحالة الغازية، ولكن عند تخللها للمعادن، توجد على شكل أيوني منفرد. ينص قانون سيفرت على أن ذوبانية الغاز، على شكل جزيء ثنائي الذرة ، في المعدن تتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي للضغط الجزئي للغاز.

يمكن تقريب التدفق في هذه الحالة بالمعادلة

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {(S_{1}-S_{2})}{\delta }}{\bigg .}}$

يمكننا أن نقدم${\displaystyle K}$في هذه المعادلة، التي تمثل ثابت اتزان التفاعل . من العلاقة${\displaystyle S={K{\sqrt {p_{N}}}}}$.

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {K({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

يمكن دمج معامل الانتشار مع ثابت اتزان التفاعل للحصول على الشكل النهائي للمعادلة، حيث${\displaystyle P}$نفاذية الغشاء. والعلاقة بينهما هي${\displaystyle P=KD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

• معدل انتقال بخار الرطوبة – مقياس لمرور بخار الماء عبر مادة ما
• معدل نفاذية الأكسجين – مقياس لنفاذية التغليف
• معدل انتقال ثاني أكسيد الكربون
• ختم محكم الإغلاق – ختم مانع لتسرب الهواء
• النفاذية (علوم الأرض) - مقياس لقدرة المادة المسامية على السماح بمرور السوائل من خلالها

• يام، كيه إل، موسوعة تكنولوجيا التغليف ، جون وايلي وأولاده، 2009، رقم ISBN 978-0-470-08704-6
• ماسي، إل كيه، خصائص نفاذية البلاستيك والمطاط ، 2003، دار نشر أندرو، رقم ISBN 978-1-884207-97-6
• طريقة الاختبار القياسية ASTM F1249 لمعدل نفاذية بخار الماء عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية باستخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء المعدل
• طريقة الاختبار القياسية ASTM E398 لمعدل نفاذية بخار الماء للمواد الورقية باستخدام قياس الرطوبة النسبية الديناميكية
• طرق الاختبار القياسية ASTM F2298 لمقاومة انتشار بخار الماء ومقاومة تدفق الهواء في مواد الملابس باستخدام خلية نفاذية الرطوبة الديناميكية
• طريقة الاختبار القياسية F2622 لمعدل نفاذية غاز الأكسجين عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية باستخدام أجهزة استشعار متنوعة
• G1383: طريقة الاختبار القياسية لنفاذية السوائل والغازات من خلال مواد الملابس الواقية في ظل ظروف التلامس المتقطع.
• روب، دبليو إل (يناير 1968). "أغشية السيليكون الرقيقة - خصائص نفاذيتها وبعض تطبيقاتها". حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم . 146 (1): 119-137 . Bibcode : 1968NYASA.146..119R . doi : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x . PMID 5238627 . 
• أنظمة صيدلانية لتوصيل الأدوية ، ديفيد جونز؛ تشين واي دبليو. الطبعة الثانية. نيويورك: مارسيل ديكر، إنك؛ 1993. أنظمة توصيل الأدوية المبتكرة.
• ماليخ، أو. في.؛ غولوب، أ. يو.؛ تيبلياكوف، في. في. (مايو 2011). "مواد الأغشية البوليمرية: جوانب جديدة للمناهج التجريبية للتنبؤ بمعاملات نفاذية الغاز فيما يتعلق بالغازات الدائمة، والهيدروكربونات الخطية الدنيا، وبعض الغازات السامة". التقدم في علوم الغرويات والأسطح البينية . 164 ( 1-2 ): 89-99 . doi : 10.1016/j.cis.2010.10.004 . PMID 21094931 . 
• برنامج CheFEM 3 هو برنامج FEM قائم على معادلة الحالة للتنبؤ بنفاذية البوليمرات ومركباتها، برنامج CheFEM 3 .