Diffuusiokerroin

Diffuusiokerroin (D) kuvaa aineen molekyylien tai hiukkasten satunnaista liikettä ja sitä kautta tapahtuvaa leviämistä pitoisuusgradientin suuntaan. Se määrittää, kuinka nopeasti pitoisuudet tasoittuvat tilassa, ja on keskeinen suure diffuusion ilmiöissä. D riippuu sekä aineesta että väliaineesta sekä lämpötilasta ja paineesta.

Fickin lain mukaan diffuusiovirtauksiin kohdistuva massansiirto voidaan kuvailla kahdella tasolla. Ensimmäinen laki: J = -D (dC/dx), jossa J on difuusion virta (aineen määrän siirtyminen ajan yksikköä kohti), ja dC/dx on pitoisuuskäyrän gradientti. Toinen laki, Fickin diffuusiolaki, on ∂C/∂t = D ∇²C, joka kuvaa pitoisuutteen muutosta ajassa ja tilassa homogeenisessa väliaineessa.

Diffuusiokerroin voi olla erityyppinen: molekyylien tai ioni-rasisoidun liuoksen sisäisessä diffuusiosta (self-diffusion), kahden komponentin järjestelmässä (binary diffusion) sekä kiinteissä materiaaleissa (suureet kuten polymeerit). Arvot vaihtelevat suuresti: ilmakeässä pienille molekyyleille D on noin 10^-5 m²/s, vedessä ~10^-9 m²/s, kun taas kestäviin kiinteisiin materiaaleihin diffuusio on usein 10^-12 m²/s tai pienempi. Diffuusiokerroin riippuu molekyylikoosta, vuorovaikutuksista, nesteen viskositeetista sekä lämpötilasta.

Mittauksessa ja laskennassa käytetään muun muassa pulssipohjaista magneettikuvauksessa (PFG-NMR), jäljitettävien merkkiaineiden diffuusion mittaamista sekä Stokes-Einsteinin yhtälöä, joka yhdistää D:n lämpötilaan, viskositeettiin ja hiukkasen radiukseen. Diffuusiokerroin on keskeinen parametri kemian, materiaalitieteen, biologiapesä ja geotieteen malleissa.