Diffuusionkertoimella

Diffuusionkertoimella tarkoitetaan suuretta, joka kuvaa aineen leviämisen nopeutta satunnaisen liikkeen vaikutuksesta. Se tunnetaan yleisesti kirjaimella D ja esiintyy muun muassa Fickin laeissa sekä termodynamiikan ja materiaalitutkimuksen laskuissa. Diffuusionkertoimen avulla voidaan ennustaa ja kuvata, miten konsentraatiogradientti muuttaa aineen virtausta sekä kuinka nopeasti jokin molekyyli tai ionit tasoittavat epätasaisuuksia ympäristössään.

Fickin ensimmäisessä laissa massavirta J on J = -D ∇c, jossa ∇c on konsentraation gradientti ja D on diffuusionkertoimella. Tämä laki kuvaa, että aine virtaa kohti pienemmän konsentraation suuntaa. Yksiköt ovat SI-järjestelmässä neliömetrejä per sekunti (m^2/s). D voi olla huomattavasti suurempi nesteissä kuin kiinteissä aineissa ja riippuu tilanteesta sekä mittausmenetelmästä.

Diffuusionkertoimeen vaikuttavat tekijät ovat lämpötila, viskositeetti, molekyylin koko ja muoto sekä ympäristön rakenne (esimerkiksi neste, kaasu tai poro). Esimerkiksi Stokes–Einstein -lähestymistapa antaa arvion pienille pallomaisille hiukkasille nesteessä: D ≈ k_B T / (6π η r), missä k_B on Boltzmannin vakio, T lämpötila, η nesteen viskositeetti ja r hiukkasen säde. Diffuusio on myös termisesti aktivoitua monissa kiinteissä ja monimutkaisissa aineissa, jolloin D noudattaa Arrhenius-tyyppistä suhdetta D = D0 exp(-Ea/(RT)).

Diffuusionkertoimen arvoa voidaan mitata useilla menetelmillä, kuten tracer-diffusionillla, FRAPilla (fluorescence recovery after photobleaching) sekä pulssin kenttägradientt NMR:llä (PFG-NMR). Diffuusio voi olla anisotrooppista, jolloin D tarvitsee käsitellä tensorina.

Käytännössä diffuusionkertoimella on keskeinen rooli kemiallisissa reaktioissa, biologisissa prosesseissa, geologiassa ja materiaalitutkimuksessa, joissa aineiden leviämisen hallinta on tärkeää.