Diffúziók

Diffúziók a részecskék spontán, véletlenszerű mozgásából adódó anyagáramlások, amelyek magas koncentrációjú területről a koncentrációban alacsonyabb felé haladnak. Energiafelhasználás nélkül zajlanak, és minden halmazállapotban előfordulnak: gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban. A diffúzió alapvető szerepet játszik az anyagok keveredésében, a gázok és oldott anyagok közlekedésében és a sejtek közötti anyagáramlásban.

Matematikai leírását Fick törvényei adják. Az első törvény szerint a diffúziós fluxus J arányos a koncentrációgrádienssel: J = -D ∇c. A második törvény pedig az időben változó koncentrációt adja meg: ∂c/∂t = D ∇² c. A diffúziós együttható D függ a hőmérséklettől, a közegtől és a részecske méretétől; például a Stokes–Einstein összefüggés szerint D körülbelül k_B T / (6π η r).

Diffúzió különböző közegben eltérő ütemben zajlik: gázokban gyorsabb, folyadékokban lassabb, szilárd anyagokban pedig gyakran nagyon lassú. Biológiai példák közé tartozik az oxigén és a szén-dioxid diffúziója a sejthártyán keresztül, a víz diffúziója pedig osmotikus különbségek révén vagy aquaporinok segítségével. Diffúzió a membránokon keresztül általában kis, egyszerű molekuláknak kedvez.

Szilárd anyagokban a diffúzió főként üres helyek vagy interstitiumok vándorlását jelenti; aktív diffúzióval és töltések hozzárendelésével is jellemezhető. A diffúziós sebesség hőmérsékletfüggésű, általában Arrhenius-típusú, D = D0 exp(-Ea/RT) formában írható fel. A diffúzió alkalmazási területei közé tartozik a hőtárolás, bevonatok, félvezető technikák, orvosi dialízis és membrános szeparáció.