Diffusität

Diffusität, auch Diffusivität genannt, ist eine grundlegende Größe, die beschreibt, wie schnell Substanzen durch Diffusion transportiert werden. In der Physik und Chemie wird sie üblicherweise durch den Diffusionskoeffizienten D charakterisiert. Im einfachsten Fall isotroper Medien gilt das Ficksche Gesetz: J = -D ∇c, wobei J der Stoffstrom und c die Konzentration ist; die zeitliche Veränderung der Konzentration folgt ∂c/∂t = D ∇^2 c.

In anisotropen Materialien kann D als Tensor D_ij vorliegen, sodass unterschiedliche Richtungen unterschiedliche Diffusionsraten ermöglichen. Diffusivität hängt stark von Temperatur, Materialstruktur, Druck und dem Lösungsmittelumfeld ab. In vielen Systemen folgt D einer Arrhenius-Beziehung D = D0 exp(-E_a/(RT)) mit der Aktivierungsenergie E_a für die Diffusion.

Es gibt Unterschiede in der Terminologie: Selbstdiffusion (Diffusion identischer Moleküle), Tracer-Diffusion und effektive Diffusivität in Mischungen oder porösen Medien. Experimentell werden Diffusionskoeffizienten durch tracer diffusion, zeitaufgelöste Ficksche Diffusion, Puls-Feldgradient-NMR (PFG-NMR), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder elektrochemische Methoden bestimmt.

Anwendungen der Diffusität finden sich in der Materialwissenschaft, Keramik- und Polymerforschung, Halbleitertechnik, Geologie und Biologie. Diffusivität dient dort als Schlüsselgröße zur Beschreibung von Transportprozessen, der Reaktionskinetik und der Mengenneubildung in Systemen unterschiedlicher Phasen. Sie steht in enger Beziehung zu anderen Transportgrößen wie der Permeabilität, erweitert das Verständnis von Stofftransport in Materialien und Systemen.