Tiladiffuusio

Tiladiffuusio on prosessi, jossa aine tai ominaisuus leviää tilassa satunnaisen molekyyliliikkeen seurauksena ja pyrkii tasoittumaan pitoisuuksien välillä. Se on keskeinen mekanismi monissa fysikaalisissa, kemiallisissa ja biologisissa järjestelmissä.

Perusta on Fickin lait. Fickin ensimmäinen laki sanoo, että diffuusoiva fluxi J on -D ∇C, missä D on diffuusiokerroin ja C pitoisuus. Fickin toinen laki kuvaa pitoisuuden muutoksen: ∂C/∂t + ∇·J = 0. Jos D on skalaari ja homogeeninen, diffuutiota kuvataan ∂C/∂t = D ∇^2 C. Jos taas diffuusionsäde on anisotrooppinen tai tila epäyhtenäinen, D on matriisi tai tensori, ja kaava on ∂C/∂t = ∇·(D ∇C).

Ominaisuuksien kehitykseen vaikuttavat olosuhteet. Kun D on skalaari ja homogeeninen, käytetään yksinkertaistettua muotoa; anisotrooppisissa tai epäjatkuvissa tapauksissa rajat ja materiaalin rakenne muuttavat diffuusion suuntaa ja nopeutta.

Diffuusion mekanismeja ovat molekulaarinen diffuusio, turbulenssista johtuva diffuusio sekä huokoisissa tai poroittuvissa materiaaleissa tapahtuva diffuusio. Diffuusion merkitys korostuu esimerkiksi ympäristömallinnuksessa, pilaantumisen leviämisen ennustamisessa, kemianteollisuudessa, materiaalitekniikassa sekä biologiassa ja lääketieteessä.

Mittaukset ja parametrien arvojen hankinta perustuu kokeisiin. Diffuusiokertoimen arvo riippuu lämpötilasta, paineesta ja ympäristömateriaaleista. Sen estimointi tapahtuu muun muassa FRAP-menetelmällä, NMR-diffusometrialla (DOSY) sekä tracer-kokeilla.

Historia: tiladiffuusion käsitteet ja Fickin lait kehitti 1800-luvulla saksalainen fyysikko Adolf Fick (1855).