Diffuusionopeuden

Diffuusionopeus tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti aine leviää väliaineessa satunnaisen molekyyliliikkeen seurauksena. Se on keskeinen mittari diffuosiolle ja tavallisesti kuvataan diffuusionkertoimella, D, sekä diffuusion virran avulla. Diffuusionopeus kuvaa aineen epäorgaanisen tai biologisen leviämisen nopeutta, kun mikroskooppinen sekoittuminen johtaa pitoisuuserojen tasoittumiseen.

Diffuusionopeuden matemaattinen perusta perustuu Fickin lainsäädäntöön. Fickin ensimmäisen lain mukaan diffuusionvirta J on suoraan verrannollinen pitoisuusarvon gradienttiin, ja J = -D ∂c/∂x, missä ∂c/∂x on pitoisuusgradientti ja D on diffuusionvakio. D:n yksikkö on m^2/s. Suurempi D tarkoittaa nopeampaa levittäytymistä. Diffuusionopeus riippuu sekä aineesta että sen ympäristöstä.

Ajan mittaan diffuosit ovat usein kuvaamattuja tilastollisia prosesseja. Tyypillinen tunnusluku on diffuusion vaikutusalue: 1D suhde ⟨x^2⟩ = 2 D t, 3D tapauksessa ⟨r^2⟩ = 6 D t. Näin voidaan arvioida, kuinka kauas aineleviää tietyssä ajassa: pituusmittainen diffuusion pituus noin sqrt(6Dt). Tämä osoittaa, että diffusiorata riippuu sekä ajasta että D:stä.

Diffuusionopeuteen vaikuttavat monet tekijät, kuten lämpötila, viskositeetti, molekyylikoko ja -muoto sekä ympäristön ominaisuudet. Yleisesti ottaen korkeampi lämpötila ja pienemmät molekyylit mahdollistavat suuremman D:n; kaasut diffundoituvat nopeammin kuin liuokset, ja kiinteissä aineissa diffuusio on huomattavasti hitaampaa.

Mittauksiin käytetään esimerkiksi tracer-aineita, FRAP-tekniikkaa ja pulssipaikannettavaa magneettikuvausta (Pulsed-Field Gradient NMR). Diffuusionopeus on keskeinen käsite ympäristötieteissä, lääketieteessä, materiaalitieteessä ja biologiassa, sillä se määrittää, miten nopeasti aineet, ioni tai molekyylit siirtyvät tilasta toiseen ilman suurta verenpaineista virtausta.