Diffuusiokertoimesta

Diffuusiokertoimesta (yleisesti merkitty D) kuvaa, kuinka nopeasti aineen pitoisuus tasoittuu diffuusion seurauksena. Se on keskeinen parametri Fickin laeissa. Fickin ensimmäisen lain mukaan diffuusionvirta J on J = -D ∇c, jossa ∇c on pitoisuuseron gradientti. Fickin toisen lain mukaan pitoisuus muuttuu ajassa: ∂c/∂t = D ∇^2 c. Diffuusiokertoimen arvo kertoo, kuinka nopeasti molekyylit tai hiukkaset kokevat Brownin liikettä ja se heijastuu sekoittumisen nopeuteen.

Diffuusiokertoimen suuruuteen vaikuttavat tekijät ovat lämpötila, väliaineen viskositeetti sekä molekyylin tai partikkelin koko ja muoto. Yleisesti D kasvaa lämpötilan noustessa ja pienenee suuremman viskositeetin sekä suuremman molekyylikoon myötä. Stokes-Einstein-yhtälön mukaan D = k_B T / (6 π η R), jossa k_B on Boltzmannin vakio, T lämpötila, η viskositeetti ja R hydrodynaaminen säde.

Isotrooppisessa diffuusion tapauksessa keskimääräinen neliöpoikkeama liittyy aikaan siten, että <r^2> = 6 D t kolmessa ulottuvuudessa (tai <x^2> = 2 D t yhdessä ulottuvuudessa). Tämä tarjoaa yhteyden ajallisen diffuusion ja havaittavien liikemäärien välillä.

Diffuusiokertoimen arvoa mitataan ja käytetään laajasti kemiassa, materiaalitieteessä, biologiassa ja ympäristötieteissä. Menetelmiä ovat muun muassa pulssigradientti-NMR (PFG-NMR), fluoresenssimikroskopia ja tracer-diffuusiokokeet. D:n tunteminen auttaa ymmärtämään sekoittumisen, läpäisykyvyn ja materiaalien suorituskyvyn laskentaa.