Phasentrennung bezeichnet die spontane oder induzierte Aufspaltung eines zunächst einphasigen Mehrkomponentensystems in zwei oder mehr thermodynamisch unterscheidbare Phasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder Struktur. Triebkraft ist die Minimierung der Gibbs’schen freien Enthalpie durch Entmischung, wenn die Mischungsenthalpie und -entropie gemeinsam zu einer konvexen Form der freien Enthalpie über der Zusammensetzung führen.

Thermodynamisch wird Phasentrennung über Phasendiagramme und das chemische Potential beschrieben; kinetisch spielen Diffusion, Viskosität und mögliche Glasbildung eine Rolle. Zwei archetypische Mechanismen sind nukleationsgetriebene Entmischung (Keimbildung und Wachstum diskreter Domänen) und Spinodalseparation (zusammenhängende, wellenartige Strukturen infolge instabiler Zusammensetzungsfluktuationen). Mikrophasenseparation, etwa in Blockcopolymeren, führt zu periodischen Nanostrukturen und unterscheidet sich von makroskopischer Entmischung durch die Kopplung an die Kettenarchitektur.

In kondensierter Materie umfasst Phasentrennung Gas-Flüssig-, Flüssig-Flüssig- und Flüssig-Fest-Übergänge. Beispiele sind Gas-Flüssig-Phasentrennung in überkritischen Fluiden, Glasphasenabscheidung in Gläsern oder polymeren Netzwerken sowie Flüssigphasentrennung in Lösungen von Biopolymeren. Photopolymerisationsinduzierte Phasentrennung nutzt eine lokale Änderung der Reaktivität und Löslichkeit während der Polymerisation zur Erzeugung kontrollierter Mikro- und Nanostrukturen, etwa für optische Komponenten oder poröse Gerüste.

Experimentell wird Phasentrennung u. a. mit Lichtstreuung, SAXS/SANS, Elektronen- und Rasterkraftmikroskopie sowie kalorischen und rheologischen Methoden charakterisiert. Für die Werkstoffentwicklung ist die gezielte Steuerung von Kinetik und Morphologie der Phasentrennung entscheidend, um Eigenschaften wie Zähigkeit, Permeabilität, optisches Verhalten oder Sensitivität (z. B. in Biosensorik) zu einstellen.