diffuusionopeudet

Diffuusionopeudet ovat aineiden leviämisen nopeuksia konsentraatiogradientin vaikutuksesta. Ne kuvaavat, kuinka nopeasti aine tasoittaa pitoisuuseroja ympäristössään. Käytännössä diffuusionopeutta kuvataan diffuusionkertoimena, D, joka esiintyy Fickin lain yhteydessä. Fickin ensimmäinen laki sanoo, että diffuusion virta J on J = -D ∇c, jossa ∇c on pitoisuusgradientti. Toinen laki kuvaa aikarakennetta ∂c/∂t = D ∇^2 c, eli pitoisuus muuttuu ajan ja tilan funktiona. D:n arvo riippuu lämpötilasta, väliaineesta, molekyylin koosta ja vuorovaikutuksista sekä ympäristön rakenteesta.

Ominaisuudet ja vaihtelut. Diffuusionopeudet vaihtelevat suuresti: kaasuille tyypillisesti D on suurin tai noin 0,1 cm^2/s luokkaa pienille molekyyleille; nesteissä pienet molekyylit voivat diffundoitua noin 10^-5 cm^2/s tasolla, kun taas suuremmat molekyylit tai tiiviit liuokset antavat huomattavasti pienempiä arvoja. Kiinteissä aineissa diffuusiokäyrät ovat yleensä erittäin hitaat, ja D voi olla 10^-14–10^-8 cm^2/s tai pienempi. Tapauskohtaiset arvot määräytyvät molekyylin koon, muodon, vuorovaikutusten ja ympäristön viskositeetin sekä kiteisyyden mukaan.

Mitat ja sovellukset. Diffuusionopeuksia mitataan merkkiaineiden avulla sekä teknisillä tekniikoilla kuten pulssin kenttägradienttinen NMR (PFG-NMR) ja FRAP-menetelmät (fluoresenssi palautuu fotobleedissä). Diffuusionopeudet ovat keskeisiä biologisissa prosesseissa (esimerkiksi solujen aineiden kulkeutuminen), materiaalitieteessä (polymeeri- ja elektrolyyttielektroniikassa) sekä ympäristö- ja prosessiteollisuudessa.