concentratiegradienten

Concentratiegradienten zijn ruimtelijke variaties in de concentratie van een stof binnen een medium. Het gradiëntveld ∇C geeft aan hoe snel de concentratie in elke richting verandert. In een eendimensionale situatie is de gradiënt dC/dx.

Diffusie is het proces waarbij moleculen van een gebied met hoge concentratie naar een gebied met lage concentratie bewegen door moleculaire botsingen. De flux van de stof wordt gegeven door de eerste wet van Fick: J = -D ∇C; in 1D is J = -D dC/dx. D is de diffusiviteitsconstante, afhankelijk van temperatuur, aard van de stof en het medium. De tijdsafhankelijke verandering van de concentratie volgt uit de diffusievergelijking ∂C/∂t = D ∇^2 C.

Concentratiegradienten ontstaan door productie en afbraak van stoffen, lokaal transport en randvoorwaarden of omgevingsstromen zoals convectie. In biologische systemen spelen gradienten een sleutelrol bij chemotaxis, ontwikkeling en signaaltransductie: cellen kunnen detecteren en reageren op chemische signalen en zich in de richting van hogere concentraties verplaatsen.

Voorbeelden van gradienten zijn onder meer in cellen, waar voedingsstoffen en signaalmoleculen langs membranen verdelen; in weefsels en organen waar zuurstof- en voedingsstoffenconcentraties variëren; en in bodem of aquatische systemen waar opgeloste stoffen langs een gradient diffunderen.

Metingen en eenheden: C wordt vaak uitgedrukt in mol per kubieke meter (mol/m^3). De gradiënt heeft een eenheid mol per kubieke meter per meter (mol/m^4) in 1D; de flux heeft de eenheid mol per vierkante meter per seconde (mol/m^2 s). Het concept is fundamenteel voor fysische en biologische transportprocessen.