Diffuusiokertoimet

Diffuusiokertoimet (diffuusiokertoimet) kuvaavat, kuinka nopeasti aine difusoi kyseisessä väliaineessa johtuen molekyylien satunnaisesta lämpöliikkeestä. Ne mittaavat massansiirtoa diffuusion kautta, eikä konvektion tai sähköinen ajon aiheuttama siirtymä. Diffuusiokertoimet riippuvat sekä aineesta että väliaineesta ja niillä on keskeinen rooli esimerkiksi kemiallisissa reaktioissa, biologiassa ja ympäristötutkimuksessa.

Fysikaalisessa muodossa diffuusiokertoimet liittyvät Fickin lakeihin. Ensimmäinen Fickin laki määrittelee diffuusionvirtauksen J = -D ∇c, jossa D on diffuusiokerroin ja c aineen konsentraatio. Toisesta laista seuraa aikaosuus c(r,t) = ∂c/∂t = D ∇^2 c. Diffuusiokerroin D on yksikköä m^2/s käyttävä suure, ja sitä voi pitää kappaleen tai molekyylin liike-ominaisuutena väliaineessa.

D riippuu lämpötilasta, viskositeetista, molekyylin koosta ja vuorovaikutuksista ympäristön kanssa. Yleisesti ottaen D kasvaa lämpötilan noustessa ja pienenee suuremman molekyylikoon tai tiukempien vuorovaikutusten myötä. Yleisiä teoreettisia yhteyksiä ovat Stokes–Einstein -kaava D = kB T / (6π η r) for kääpiö- tai pallomaisia molekyylejä nestemäisessä väliaineessa, sekä Maxwell–Stefan -malli monikomponenttisissa seoksissa.

Mittausmenetelmät vaihtelevat: NMR-diffusioimetria (PFG-NMR), FRAP-menetelmä, fluoresenssi- tai radioaktiiviset merkit sekä elektrolyyttiset menetelmät. Diffuusiokertoimet voivat olla itse- diffuusiokertoimia (Dself) tai toisten aineiden diffuusiokertoimia (Dmuta), ja ne ovat olennaisia suunniteltaessa esimerkiksi katalyyttisiä reaktioita, elektrolyyttien toimintaa, lääkeannostelua tai maaperän massansiirtoprosesseja.