Diffusietransport

Diffusietransport is het transport van deeltjes, zoals moleculen of ionen, door een medium als gevolg van concentratie- of potentiaalgradiënten, gedreven door willekeurige thermische beweging. Het speelt een fundamentele rol in chemische systemen, biologische membranen, en materialenwetenschap. Diffusie vindt plaats in vloeistoffen, gassen en vaste stoffen, zij het met verschillende snelheden en mechanismen.

De beweging wordt wiskundig beschreven door de Fick's wetten. De eerste wet stelt dat de diffunderende flux J evenwijdig aan de gradiënt van de concentratie is, met J = -D ∇c, waarbij D de diffusie-coëfficiënt is. De tweede wet, ∂c/∂t = D ∇^2 c, beschrijft hoe de concentratie in de tijd verandert door diffusie in een homogeen medium. In anisotrope of samengestelde media kan D een tensor zijn.

De diffusiecoëfficiënt D hangt af van temperatuur, aard van het medium en deeltjes, en van de interacties daartussen. Over het algemeen stijgt D met temperatuur en afgenomen deeltjesgrootte; in gassen is D meestal groter dan in vloeistoffen. Soms volgt D een Arrhenius-achtige relatie: D = D0 exp(-Ea/RT).

Diffusie vindt door verschillende mechanismen plaats. In vloeistoffen en gassen is het meestal passief diffusie voortkomend uit willekeurige moleculaire beweging. In vaste stoffen gebeuren diffusieprocessen via vacancies of interstitiële sites. In biologische membranen kan diffusie versneld of beperkt worden door kanalen of transporteiwitten; dit laatste valt onder faciliterde diffusie.

Toepassingen van diffusietransport zijn wijd verspreid: van gasuitwisseling in longen en opname van voedingsstoffen in cellen tot dopering van halfgeleiders en milieukundig transport van verontreinigingen. Beperkingen bestaan bij complexe, niet-Fickiaanse diffusie die voorkomt in polymers of extreem geconcentreerde systemen en die vereist modellen beyond Fick’s laws.