Diffuusiokerrointa

Diffuusiokerroin (diffusion coefficient, D) on parametri, joka kuvaa, kuinka nopeasti aine difundoituu mediassa, kun pitoisuusgradientti on olemassa. Se liittyy diffuittiin molempien tilojen kautta Fickin first-lain avulla: J = -D ∇C, missä J on määrättyöntiövirta (mol/m^2·s) ja ∇C on pitoisuusgradientti. Diffuusiokerroin D on yksikköinen m^2/s. Toisessa laissa, toisen lain, ∂C/∂t = ∇·(D ∇C), jolloin vakioj D:n tapauksessa ∂C/∂t = D ∇²C.

D riippuu lämpötilasta ja materiaalin rakenteesta. Kiinteissä aineissa diffuusio etenee pääasiassa pistevirheiden, kuten vantaasiivujen tai interstiaalien kautta, ja D noudattaa usein Arrheniusta: D = D0 exp(-Q/(RT)), missä aktivaatioenergia Q kuvaa siirtymää. Kristalleissa diffuusio voi olla anisotrooppista, eli eri suunnissa arvoja voi olla erilaisia. Nestemäisissä ainesosissa diffuusio seuraa usein samankaltaisia periaatteita; likimääräinen yhteys liikkuu viskositeetin ja molekyylin koon kautta Stokes–Einsteinin suhteella: D ≈ kB T /(6π η r). Polymeereissa difuusiota säätelee vapaa tila ja segmentaalinen liike.

Monikomponenttisissa järjestelmissä diffuusiokertoimet voivat muodostaa matriisin tai pitoisuudesta riippuvia tehokkaita difuusioita; tracer-diffuusio ja kemiallinen diffuusio voivat poiketa toisistaan.

Käyttökohteet kattavat materiaaliprosessit, korroosion, akkukäytöt, kalvoerotukset ja puolijohdevalmistus, joissa diffuusio ohjaa kulkeutumista ja reaktionopeuksia.