diffuusionopeuksiin

Diffuusionopeudet kuvaavat, kuinka nopeasti aine leviää diffuusion kautta pitoisuuseron aiheuttamassa gradientissa. Yleinen mittayksikkö on neliömetriä per sekunti (m^2/s). Fickin lait muodostavat teoreettisen perustan: Fickin ensimmäinen laki sanoo, että massan virta J on J = -D ∂c/∂x (tai J = -D ∇c yleisellä tasolla), missä D on diffuusionopeus ja ∂c/∂x tai ∇c on pitoisuuseron gradientti. Fickin toinen laki, ∂c/∂t = D ∇^2 c, kuvaa konsentraation muutosta ajassa isotrooppisessa aineessa.

Diffuusionopeus voi olla skalaari arvo isotrooppisessa aineessa, mutta monissa järjestelmissä se on tensorimuodossa, jolloin diffuusiota tarkastellaan erisuuntaisena. Lisäksi D voi riippua lämpötilasta, nesteen tai kiinteän aineen ominaisuuksista sekä partikkeleiden koosta ja muodosta. Tyypillisiä suhteita ovat Arrhenius-laki D = D0 exp(-Ea/(RT)) ja Stokes–Einstein -laki, joka likimääräisesti yhdistää D:n lämpötilaan, viskositeettiin ja hiukkasen koosta pienissä nesteissä: D ≈ k_B T /(6π η r).

Diffuusionopeuksien mittaamiseen käytetään useita menetelmiä, kuten tracer-tutkimuksia radiotracer-metalleilla, pulsed-field gradient NMR -tekniikkaa sekä Taylorin leviämisen kokeita. Analyysi voi huomioida riippuvuudet lämpötilasta, pitoisuudesta sekä diffuusion epä-Fickisen käyttäytymisen mahdollisuuden.

Sovelluksia on monia: ympäristö- ja vesihuollossa, farmaseuttisissa ja biologisissa järjestelmissä sekä materiaalitieteessä ja puolijohteissa. Diffuusionopeudet vaikuttavat esimerkiksi kaasujen ja nesteiden sekoittumiseen, lääkkeiden kulkeutumiseen kehossa sekä pintojen ja kerrosten kestävyyteen.