diffuusiomekanismien

Diffuusiomekanismit kuvaavat, miten atomit tai molekyylit siirtyvät aineessa tai sen pinnalla pitoisuusarvon gradientin kohdatessa. Niiden ymmärtäminen on keskeinen osa materiaalitietoa sekä kemiallisessa prosessoinnissa, korroosiolla että biosuuntautuneissa järjestelmissä.

Kiteisessä kiinteässä aineessa diffuusio etenee tavallisesti kahdella päämekanismilla: aukkojen kautta tapahtuva diffuusio (vacancy diffusion) ja välikappaleiden diffuusio eli interstition diffusion. Aukko-diffuusio merkitsee sitä, että atomit siirtyvät kiinteän rakenteen aukkoihin, kun taas välitilojen diffuusio antaa pienemmille atomikooltaan liikkua kiinteän rakenteen väleissä. Lisäksi nopeammat reitit voivat olla putkidiffuusoina dislokaatioissa (pipe diffusion) sekä jyvärajoilla tapahtuva diffuusio (grain boundary diffusion) ja pintadiffuusio pinnalla. Nämä reitit voivat hallita diffuusionopeutta erityisesti matalissa ja keskikorkeissa lämpötiloissa.

Nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa diffuusio johtuu molekyylien Brownin liikkeestä pitoisuushäviön aiheuttaman gradientin mukaan. Diffuusion määrä voidaan kuvata Fickin laeilla ja nopeus riippuu tilan ominaisuuksista sekä lämpötilasta. Diffuusiossa esiintyy usein Arrheniuslaki: D = D0 exp(-Q/kT), missä D on diffuusionvakio, Q aktivaatioenergia ja T lämpötila.

Polymereissa diffuusio voi edellyttää segmenttien liikettä ja vapaan tilavuuden teorian tukemia reittejä, mikä johtaa usein suurempiin diffuusionarvoihin kuin kiteisissä kiinteissä aineissa. Diffuusiomekanismien ymmärrys on olennaista esimerkiksi pinnoitteissa, lämpötilanhallinnassa ja materiaalien suunnittelussa.