Diffusionsoffenheit

Diffusionsoffenheit bezeichnet in der Wissenschaft die Leichtigkeit, mit der Moleküle durch ein Medium diffundieren können. Sie hängt von der Struktur des Mediums ab, einschließlich Porengröße, Porenverteilung, Tortuosität des Diffusionsweges sowie von Wechselwirkungen zwischen dem diffundierenden Molekül und der Matrix. In Porenmedien wird sie üblicherweise durch den effektiven Diffusionskoeffizienten Deff beschrieben, der sich aus dem freien Diffusionskoeffizienten eines Moleküls (D0) und Faktoren wie Porosität (ε) sowie Tortuosität (τ) ableiten lässt, so dass Deff oft grob als Deff ≈ D0 · ε/τ angegeben wird.

In Membranen und anderen trennenden Strukturen bezeichnet Diffusionsoffenheit die Durchlässigkeit gegenüber bestimmten Substanzen. Eine hohe Diffusionsoffenheit bedeutet eine schnelle Diffusion, geht aber häufig mit einer Abnahme der Selektivität einher. Die Diffusionsoffenheit kann anisotrop sein, sodass sie in unterschiedlichen Richtungen verschieden groß ist, und ist oft abhängig von Temperatur, Druck, chemischer Zusammensetzung und Oberflächenwechselwirkungen.

Messung und Modellierung erfolgen mithilfe von Diffusions- oder Permeationstests, die Fick’sche Gesetze verwenden, sowie durch tracerbasierte Experimente. Numerische Modelle und Korrelationen helfen bei der Abschätzung von Deff in komplexen Geometrien und bei der Berücksichtigung nicht-Fick’scher Diffusionsphänomene.

Anwendungsfelder umfassen die Membrantechnik (Gas- und Flüssigkeitsfiltration, Brennstoffzellen), Boden- und Grundwasserwissenschaft (Transport von Schadstoffen), Katalyse und Sensorik. Diffusionsoffenheit ist damit ein zentraler Parameter bei der Auslegung von Trennprozessen, Umweltschutzmaßnahmen und Materialdesign.