Diffuusioita

Diffuusioita tarkoittaa prosesseja, joissa hiukkaset tai molekyylit liikkuvat pitoisuuseron tasoittamiseksi. Ne siirtyvät suuremmasta pitoisuudesta pienempään kohti tasaisempaa jakaumaa. Diffuusioita esiintyy sekä ilmassa että nesteissä sekä kiinteissä aineissa. Yleensä diffuusio on passiivinen, eikä se vaadi ulkoista energiaa; lämpöliike (Brownin liike) aiheuttaa satunnaisia liikkeitä, joiden yhteisvaikutuksena pitoisuudet tasaantuvat.

Fysikaaliset kuvaukset diffuusiolle pohjautuvat Fickin lakeihin. Ensimmäinen laki määrittelee aineen virran J: J = -D grad c, jossa D on diffuusionkoko ja grad c on pitoisuuskäyrän gradientti. Toinen laki kuvaa ajan kehitystä pitoisuudessa: ∂c/∂t = D ∇^2 c. Näiden lakien avulla voidaan mallintaa, miten pitoisuus muuttuu tilassa ajan kuluessa.

Diffuosiot voidaan jakaa eri tavoin. Yksinkertainen diffuusio tapahtuu passiivisesti ilman kuljettajia. Helpotettu diffuusio käyttää proteiinikanavia tai kuljetusproteineja ja seuraa pitoisuuseroa ilman energiankäyttöä. Pinnallinen diffuusio viittaa atomien tai molekyylien liikkeeseen kiinnittyneellä pinnalla.

Biologiassa diffuusio on keskeinen prosessi muun muassa kaasujen vaihdossa keuhkoissa, ionien ja pienten molekyylien siirtämisessä solukalvon läpi sekä solujen sisäisten yhdisteiden jakautumisessa. Laboratoriossa diffuusiota hyödynnetään esimerkiksi erotusmenetelmissä, kalvopohjaisissa erotteluissa sekä materiaalitieteen sovelluksissa. Osmoosi on erityinen veden diffuusioreitti, jossa vesi liikkuu puolipermeabilistin läpi pitoisuuserojen perusteella.

Diffuusion nopeuteen vaikuttavat lämpötila, viskositeetti ja molekyylin koko. Yleisesti D kasvaa lämpötilan noustessa ja pienen molekyylin diffuusi on nopeampaa kuin ison. Matemaattisesti Stokes-Einstein-yhteys D ∝ T/(η r) kuvaa tätä riippuvuutta. Maankäytön ja ympäristötekijöiden diffuusiota tarkastellaan laajasti ympäristötieteessä ja materiaalitieteessä.