Diffusiokäsitteen

Diffusiokäsite viittaa ilmiöön, jossa aineen molekyylit tai ionit siirtyvät tilasta toiseen kohti suurempaa tasaisuutta pitoisuuksien välillä. Siirtymä johtuu hiukkasten satunnaisesta lämpöliikkeestä ja syntyy, kun pitoisuusero aiheuttaa nettovirtauksen kohti pienempää pitoisuutta. Diffuusio esiintyy kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa ja on keskeinen mekanismi massansiirrossa sekä luonnossa että tekniikassa.

Fysikaalisesti diffuusio voidaan kuvata Fickin lakien avulla. Fickin ensimmäinen laki määrittelee massavirran J: J = -D ∂c/∂x, jossa D on diffuusion kerroin ja ∂c/∂x pitoisuusergradientti. Fickin toinen laki kuvaa pitoisuuden muutosta ajassa: ∂c/∂t = ∇·(D ∇c). Kun D on vakio, tämä yksinkertaistuu ∂c/∂t = D ∇^2 c. D riippuu lämpötilasta, aineesta ja ympäristöstä.

Erilaisia diffuusion muotoja ovat molekylaarinen diffuusio (ilman proteiinien apua) ja biologisessa kontekstissa tapahtuva facilitated diffusion, jossa kuljetusproteiinien avulla siirtymä nopeutuu. Osmose on veden diffuusiosta johtuva erikoistapaus semipermeabelin kalvon läpi. Diffuusiota voidaan tarkastella myös kemiallisten potentiaalien gradienttina ja materiaalikohtaisena anisotropiana.

Diffuusion merkitys on laaja: kaasujen vaihtuminen keuhkoissa, solujen aineenvaihdunta, lääkkeiden leviäminen liuoksissa sekä teolliset prosessit kuten kalvoerottelu, suodatus ja energian tallennus.

Historian kannalta Fick esitti diffuusion lait 1800-luvulla (Fickin lait, 1855), ja Brownian liike sekä Einstein tarjosivat molekyylien liikettä koskevaa mekanistista perustaa.