difusoituminen

Difusoituminen on prosessi, jossa aineen hiukkaset hajaantuvat ja liikkuvat kohti tasaisempaa pitoisuutta satunnaisen liikkeen vuoksi. Ilmiö esiintyy kaikissa olosuhteissa – kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa – ja sen nopeuteen vaikuttavat lämpötila, molekyylien koko ja muoto, sekä pitoisuusgradientti. Yleensä suurempi lämpötila ja pienemmät, nopeammin liikkuvat molekyylit kiihdyttävät difuusiota.

Fickin lait kuvaavat difuusiota matematiikassa. Fickin ensimmäinen laki sanoo, että diffuusiovirta J on -D ∇C, missä D on diffuusiokyky eli diffuusiokyllä, ja ∇C on pitoisuusarvojen gradientti. Fickin toinen laki kuvaa pitoisuuden ajallista muutosta: ∂C/∂t = ∇·(D ∇C). Isotrooppisessa aineessa D on vakio; anisotrooppisessa tapauksessa D voi riippua suunnasta.

Diffuusion ilmiöön vaikuttavat mitta- ja materiaalikohtaiset tekijät kuten lämpötila, viskositeetti, molekyylikoko sekä ympäristön tiheys ja rakenne. Diffuusiokyky D kasvaa yleensä korkeassa lämpötilassa ja pienemmille molekyyleille; tiheä ja kova ympäristö hidastaa diffuusiota. Poroituneissa ja kineteettisissä medioissa osa difuosiosta tapahtuu molekyylin hajotessa liuokseen.

Esimerkkejä ja sovelluksia ovat kaasujen ja nesteiden sekoittuminen, ionien siirtyminen liuoksissa, sekä maaperän ja vesiekosysteemien epäpuhtauksien leviämisen tutkimus. Biologiassa diffuusio kuvaa hapen ja hiilidioksidin sekä muiden aineiden kulkeutumista solujen lähellä. Tekniikassa diffuusio on keskeinen tekijä esimerkiksi diffuusio-MRI:n mittauksissa ja materiaalitutkimuksessa.

Historian kannalta difuusio sai tieteellisen selityksensä Adolf Fickin vuonna 1855.