Diffuusiokertoimena

Diffuusiokertoimena (D) tarkoitetaan suuretta, joka kuvaa aineen diffuusion nopeutta tilassa. Fickin ensimmäisen lain mukaan ainemäärän flux J on maantieteellisesti J = -D ∇c, jossa J on ainemäärän kulkeutuminen ja ∇c pitoisuusgradientti. Diffuusiokerroin kertoo, kuinka nopeasti pitoisuudet tasoittuvat tilavuudessa, ja sen arvo riippuu aineesta, olosuhteista sekä faasin tilasta. Yksikkö on m^2/s, ja suure voidaan määritellä sekä tilavuuteen liittyvän liikkuvuuden että timescale-lähtöisen koosteen kautta.

Diffuusiokerroin voi olla scalar isotrooppisessa aineessa; anisotropisissa materiaaleissa D on tensorinen ja riippuu suunnasta. Siksi diffuusio voi edetä nopeammin tietyssä suunnassa kuin toisessa. Yleisesti D kasvaa lämpötilan noustessa ja pienenee, kun aineen koostumus tai faasin rakenne muuttuu. Diffuusiokerroin voidaan kuvata Arrhenius-lisäyksellä D = D0 exp(-Ea/(RT)), jossa Ea on aktivaatioenergia, R on yleinen kaasuvakio ja T on lämpötila.

Erilaisia diffuusiokertoimia erotellaan usein: itse-diffuusion kerroin D* mittaa puhtaan aineen molekyylien liikettä, kun taas interdiffuusion kerroin D kuvaa kahden komponentin välistä diffuutiota ja sekoittumista. Näiden arvoja voidaan mitata tracer-diffuusion menetelmin (merkkiaineet), sekä pulsed-field gradient -nuclear magnetic resonance (PFG-NMR) -tekniikalla, elektrolyyteissä käytetyillä menetelmillä ja muilla kokeellisilla lähestymistavoilla.

Käytännössä diffuusiokerrointa käytetään suunnittelussa ja analyysissä muun muassa materiaalien kalvojen läpäisyssä, polymeerien ja metallien lämpökäsittelyissä, geologisten aineiden liukenemissuhteiden estimoinnissa sekä katalyyttisten prosessien noiden hallinnassa.