Perusdiffuutiota

Perusdiffuutiolla tarkoitetaan aineiden passiivista siirtymää pitoisuuserojen vuoksi. Se perustuu molekyylien satunnaiseen, lämpöliikkeeseen, jonka seurauksena hiukkaset siirtyvät suuremman pitoisuuden alueelta pienemmän pitoisuuden suuntaan. Diffuusio pyrkii tasoittamaan pitoisuusgradientit ajan mittaan ja tapahtuu sekä kaasussa että nesteessä ja osin kiinteissä aineissa. Diffuusion nopeuteen vaikuttavat tekijät, kuten lämpötila, väliaine ja partikkelikoossa.

Diffuusion kuvaamista käytetään Fickin lakien avulla. Fickin ensimmäinen laki määrittelee diffuusion virran J = -D(dC/dx), jossa D on diffuusion kerroin ja dC/dx pitoisuuseron gradientti. Fickin toinen laki kuvaa aikakehityksen: ∂C/∂t = D ∂^2C/∂x^2. Nämä lait pätevät yksinkertaisessa, homogeenisessä ympäristössä, jossa ei ole aktiivista kuljetusta tai suuria muutoksia ympäristössä.

Diffuusiokertoimen arvo D riippuu lämpötilasta, väliaineesta, molekyylimassasta sekä esteistä. Korkeampi lämpötila ja pienemmät molekyylit johtavat suurempiin D-arvoihin. Yleisiä suuruusluokkia: kaasujen diffuusion kerroin voi olla noin 10^-5 m^2/s, nesteissä noin 10^-9–10^-10 m^2/s. Diffuosiotyyppinä puhutaan yksinkertaisesta diffuutiosta sekä facilitated-diffuutiosta, jossa kuljettajamolekyylit tai kanavat helpottavat siirtymää; joskus diffuusion vastapainona toimii aktiivinen kuljetus.

Perusdiffuutiota tarkastellaan usein biologiassa, esimerkiksi kaasujen diffuointi keuhkoissa tai solukalvon läpäiseminen, sekä materiaalitieteessä, jossa aineet hajaantuvat kiinteisiin rakenteisiin. Ympäristötutkimuksissa diffuusio selittää epäpuhtauksien leviämistä ilmassa ja vedessä.