Diffusionsraten

Diffusionsraten bezeichnen die Geschwindigkeit, mit der Teilchen durch ein Medium aufgrund von Diffusion verteilt werden. Diffusion ist der Prozess, bei dem Teilchen sich aufgrund zufälliger Bewegungen aus einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration ausbreiten. Sie unterscheidet sich von konvektivem Transport, der durch makroskopische Strömungen entsteht.

In der Praxis wird die Diffusionsrate oft durch die Diffusionsflussdichte J beschrieben, gemessen in mol pro Quadratmeter und Sekunde (mol/(m^2 s)). Die zentrale Beziehung ist Fick’s erstes Gesetz: J = -D ∂c/∂x, wobei D der Diffusionskoeffizient ist und ∂c/∂x die Konzentrationsgradienten widerspiegelt. Der Diffusionskoeffizient D hängt stark von Temperatur, Medium und dem Molekülradius ab. In vielen Fällen folgt D einer Temperaturabhängigkeit, die durch eine Arrhenius-Formel beschrieben wird: D = D0 exp(-Ea/RT).

Diffusionsraten variieren je nach Stoffsystem: Gasphasen weisen oft hohe Diffusionsraten auf, Flüssigkeiten moderat, Festkörper langsamer. In Festkörpern treten Diffusionsprozesse häufig über Mechanismen wie Gitterlücken (Vakanzen) oder Zwischeneinheiten (Interstitien) auf. Die effektive Transportlänge wächst typischerweise mit der Quadratwurzel aus Zeit, sqrt(2Dt).

Zusammenhang mit Materialien und Biologie: In Membranen bestimmt D zusammen mit der Löslichkeit S die Permeabilität P = DS, die den Durchtritt von Stoffen durch Barrieren charakterisiert. Diffusionsraten sind zentrale Größen in Physik, Chemie, Biologie und Technik, etwa bei der Drug-Delivery, der Metalldiffusion in Legierungen oder der Gasdiffusion in Filtern. Measurementen erfolgen über Tracerexperimente, Bildgebung oder NMR-Methoden, um D und J zu bestimmen.