Diffuusoitumista

Diffuusoitumista, eli diffusio, on partikkelien verkkaista liikkumista korkeammalta pitoisuudelta matalammalle johtuen satunnaisesta lämpöliikkeestä. Se esiintyy kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa sekä biologisissa kalvoissa, ja se on keskeinen ilmiö sekä luonnossa että teknologiassa.

Fickin lait kuvaavat diffuusion perusperiaatteita. Ensimmäinen laki sanoo, että diffuusion virta J on verrannollinen pitoisuuseron gradienttiin: J = -D ∇c. Toinen laki kuvaa pitoisuuden ajallista muutosta: ∂c/∂t = D ∇^2 c. D:n arvo riippuu lämpötilasta, väliaineen viskositeetista sekä diffuusoituvan aineen koosta ja vuorovaikutuksista.

Diffuusio on nopeampaa kaasussa kuin nesteessä; kiinteissä aineissa se on usein hidasta ja voi ohjata esimerkiksi seosaineiden leviämistä sekä lämpökäsittelyprosesseja. Biologiassa diffuusio mahdollistaa kaasujen vaihdon keuhkoissa, ravinteiden ja jätteiden kuljetuksen solujen välillä sekä signaalimolekyylien leviäminen kudoksissa. Kalvoilla diffuusio voi tapahtua passiivisesti tai kanavien kautta; osmoosi on vesimolekyylien diffuusionia kalvon läpi.

Sovelluksia diffuosiolle ovat lääkeaineiden jakautuminen, ympäristötekniikka, elintarviketeollisuus sekä materiaalitiede. Diffuusion mallintaminen perustuu osittaisdifferentiaaliyhtälöihin (PDE) ja voidaan yhdistää konvektion kanssa kuvaamaan monimutkaisia siirtokäyriä. Oletukset sekä mikrorakenteet vaikuttavat käytännön tuloksiin.