Diffusionswege

Diffusionswege bezeichnet man in der Physik und Materialwissenschaft als die Routen, über die Atome, Ionen oder Moleküle in Festkörpern oder Flüssigkeiten wandern. Die Wege ergeben sich aus dem Kristallgitter, vorhandenen Defekten, der Temperatur und den Wechselwirkungen mit der Umgebung. In Feststoffen verlaufen sie oft entlang bestimmter Kanäle, Ebenen oder Defektstrukturen und können deshalb anisotrop sein.

Zu den wichtigsten Diffusionsmechanismen in Kristallen gehören die Vakanzendiffusion, bei der ein Atom in eine benachbarte Leerstelle wandert, und die interstitielle Diffusion, bei der kleine Atome durch Zwischengitterplätze bewegen. Zusätzlich können Austausch- oder komplexe Mechanismen auftreten. Defekte wie Korngrenzen, Versetzungen oder Oberflächen bilden oft schnellere Diffusionswege, die die Gesamtdiffusion maßgeblich beeinflussen.

Wichtige Einflussfaktoren sind Temperatur, Aktivierungsenergie der Migration, Gitterstruktur, Defektdichte und mechanische Spannungen. Der Diffusionskoeffizient D charakterisiert die Diffusion und folgt typischerweise der Arrhenius-Beziehung D = D0 exp(-Q/kT). Abhängig von Materialstruktur und Defektverteilung kann die Diffusion 1D, 2D oder 3D ausgerichtet sein, wobei Kanäle oder Ebenen bevorzugt sein können.

Methoden zur Untersuchung von Diffusionswegen umfassen Tracerdiffusion und Isotopenmarkierung, Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) sowie Kernspinresonanz. Theoretisch werden Diffusionsbarrieren mit DFT, Nudged Elastic Band oder Molekulardynamik berechnet. Modelle reichen von atomistischen Analysen bis zu makroskopischen Diffusionsprozessen.

Anwendung finden Diffusionswege in der Werkstoffkunde, bei Alterungs- und Korrosionsprozessen, in der Katalyse sowie in der Batterietechnik, zum Beispiel bei der Diffusion von Li- oder Na-Ionen in Elektrodenmaterialien.