diffusionshemmung

Diffusionshemmung bezeichnet die Verringerung der effektiven Diffusionsrate eines Teilchens oder Teilchensystems durch strukturelle oder chemische Hindernisse in einem Medium. Im Gegensatz zur idealen, freien Diffusion nach Fick gilt hier D_eff < D_0, wobei D_eff der effektive Diffusionskoeffizient ist. Diffusionshemmung tritt in Porenräumen, in viskosen Lösungen, in kolloidalen oder zellulären Systemen sowie bei Feststoffen auf und beeinflusst Transport, Reaktionskinetik und Stoffaustausch.

Grundlegende Mechanismen sind geometrisch bedingt (Porenstruktur, Tortuosität, Engstellen), chemisch oder physikalisch bedingt (Wechselwirkungen mit der Matrix, Sorption/Desorption, Trapping) und dynamisch (Viskosität, Temperatur, hydrodynamische Wechselwirkungen). Die Kombination dieser Faktoren führt zu einem verringerten effektiven Diffusionskoeffizienten.

Zur Beschreibung wird oft der Begriff des effektiven Diffusionskoeffizienten D_eff verwendet. In einfachem porösen Medium gilt D_eff ≈ D_0 · ε/τ, wobei ε die Porosität und τ die Tortuosität der Transportpfade angibt. Komplexere Modelle berücksichtigen zusätzlich Hin- und Herbewegungen, sterische Hindernisse und zeitliche Änderungen der Umgebung. In biologischen Zellen dominieren zum Beispiel Makromolekül-Crowding und spezifische Bindungen, die die Bewegung von Molekülen verlangsamen.

Anwendungen finden sich in der Diffusionskontrolle chemischer Reaktionen (diffusionslimitierte Reaktionen), Membrantechnik, Arzneistofffreisetzung, Gas- und Molekültransport in Geweben sowie in Geowissenschaften beim Transport durch poröse Böden. Diffusionshemmung ist ein zentrales Konzept, um Transportbegrenzungen zu verstehen und zu modellieren. Siehe auch Diffusion, Porosität, Tortuosität, Diffusionskoeffizient.