Stoffdiffusion

Stoffdiffusion bezeichnet den Nettofluss von Teilchen infolge der zufälligen Wärmebewegung, der aus einem höheren in einen niedrigeren Bereich der Stoffmengenkonzentration resultiert. Sie tritt in Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern auf und führt dort langfristig zur Angleichung der Konzentrationen.

In der Modellierung wird die Stoffdiffusion häufig durch Ficksche Gesetze beschrieben. Das erste Gesetz besagt, dass die Masseflussdichte J proportional zum negativen Konzentrationsgradienten ist: J = -D dC/dx. Das zweite Gesetz beschreibt die zeitliche Veränderung der Konzentration: ∂C/∂t = D ∂^2C/∂x^2. D ist der Diffusionskoeffizient und hängt von Temperatur, Material und dem diffundierenden Teilchen ab.

In Flüssigkeiten und Gasen erfolgt Diffusion überwiegend durch Molekülbewegung, in Festkörpern dagegen durch Mechanismen wie Substitutionsdiffusion (über Gitterlücken) und Interdiffusion (zwischen Atomen), oft dominiert durch Vakanz- bzw. Interstitialdiffusion. Der Diffusionskoeffizient folgt oft der Arrhenius-Beziehung D = D0 exp(-Ea/(RT)).

Wichtige Einflussgrößen sind Temperatur, Konzentrationsgefälle, Medium (Viskosität, Struktur) und die Größe bzw. Beweglichkeit der diffundierenden Teilchen. In Kristallen kann die Diffusion anisotrop sein und durch Kristallrichtung variieren.

Stoffdiffusion spielt eine zentrale Rolle in der Metallurgie (Carburieren, Diffusionsschweißen), der Halbleitertechnik (Dotierung), der Membrantechnik, der Katalyse und in der Pharmakologie (Freisetzung von Wirkstoffen). Mess- und Modellierungsansätze helfen, Diffusionsprozesse quantitativ zu beschreiben und zu steuern.