Dyfuzja

Dyfuzja to proces transportu cząsteczek z regionu o wyższym stężeniu do regionu o niższym stężeniu, napędzany gradientem stężeń oraz przypadkowym ruchem cząsteczek (Brownowski). W systemach zamkniętych dąży do wyrównania stężeń i osiągnięcia stanu równowagi.

W opisie fizycznym dyfuzji kładzie się nacisk na prawa Ficka. Pierwsze prawo Ficka opisuje przepływ cząsteczek J jako J = -D dC/dx, gdzie D jest współczynnikiem dyfuzji, a dC/dx gradientem stężenia. Drugie prawo Ficka, ∂C/∂t = D ∂²C/∂x², opisuje, jak rozmieszczenie stężenia zmienia się w czasie. Współczynnik D zależy od temperatury, lepkości medium, wielkości cząsteczek i ich interakcji z otoczeniem.

Dyfuzja zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych. Tempo procesu rośnie wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz z rosnącą opornością środowiska i dużymi cząsteczkami. W praktyce dyfuzja występuje również w złożonych układach, gdzie towarzyszą jej ograniczenia geometryczne, tarcie i obecność barier.

W biologii dyfuzja odgrywa kluczową rolę przy wymianie gazowej, dystrybucji substancji odżywczych i usuwaniu produktów przemiany. Przez błony komórkowe wiele małych cząsteczek przenika swobodnie, natomiast większe lub naładowane cząsteczki mogą wymagać transportu ułatwionego przy udziale białek; transport czynny nie jest dyfuzją.

Przykłady codzienne: rozpuszczanie zapachu w powietrzu, rozlewanie barwnika w wodzie. Zastosowania techniczne obejmują dyfuzję dopantów w półprzewodnikach, obróbki cieplne w metalach oraz filtrację i membrany separacyjne.