Diffusionsformen

Diffusionsformen bezeichnet die verschiedenen Mechanismen, durch die Substanzen in einem Medium aufgrund von Konzentrationsunterschieden verteilt werden. Sie hängen von der Mikrostruktur des Mediums, der Wechselwirkung mit dem Träger und äußeren Bedingungen ab.

Ficksche Diffusion (normale Diffusion): Der diffusive Fluss J ist proportional zum negativen Konzentrationsgradienten (J = -D ∇c). Sie folgt dem Fickschen Gesetz und wird durch den Diffusionskoeffizienten D beschrieben. In vielen Gasen, Lösungen und homogener Medien dominiert diese Form.

Nicht-Ficksche Diffusion und anomale Diffusion: In komplexen Medien weichen Phänomene von der Fickschen Beschreibung ab. Case-II-Diffusion tritt in Polymeren auf, wo Schwellung und Relaxationsprozesse die Rate bestimmen. Subdiffusion (Exponent α < 1) und Superdiffusion (α > 1) zeigen eine abgeänderte Zeitabhängigkeit der mittleren quadratischen Verschiebung.

Diffusionsmechanismen in Festkörpern: Diffusion erfolgt über Vakanzen (Substitutional) oder durch Zwischengitterdiffusion (Interstitial). Die Raten hängen von Aktivierungsenergie, Temperatur und Gitterstruktur ab.

Diffusion durch Membranen und in Polymeren: Passive Diffusion passiert durch Lipidmembranen oder Poren; erleichterte Diffusion nutzt Transportproteine. In Polymeren beschreibt Case I die rein lösungsmittelgetriebene Diffusion, Case II die Schwellungs-/Relaxationskontrolle.

Mathematische Beschreibung und Messung: Die Fick-Gleichungen bilden die Grundlage; für anomale Diffusion kommen fraktionale Diffusionsgleichungen oder CTRW-Modelle zum Einsatz. Zentrale Größen sind Diffusionskoeffizient D, Permeabilität P und Diffusionslänge. Messungen erfolgen mit Tracern, NMR oder FRAP.

Anwendungen: Materialwissenschaft, Polymerchemie, Biologie, Umwelttechnik.