Diffusion

Als Diffusion (lateinisch diffusio, von lateinisch diffundere „ausgießen“, „verstreuen“, „ausbreiten“) bezeichnet man Stoff-Transport, der auf ungerichteter Zufallsbewegung der Teilchen des diffundierenden Stoffes beruht.^[1] Die Zufallsbewegung der diffundierenden Teilchen hängt wiederum mit deren thermischer Energie zusammen. Bei den diffundierenden Species kann es sich unter anderem um Atome, Moleküle, Ladungsträger, Leerstellen in kristallinen Gittern^[2] oder freie Neutronen^[3] handeln. Diffusion tritt in Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Plasmen auf. Die Eigenschaft eines Materials, die Ausbreitung von gelösten Stoffen durch Diffusion zu ermöglichen, wird als Diffusivität bezeichnet. Auf Oberflächen von Festkörpern kann es zu zweidimensionaler Oberflächendiffusion kommen.^[4]

Die Begriffe Diffusion und Diffusivität sind nicht mit dem Begriff Diffusität aus dem Gebiet der Akustik hzu verwechseln.

Als Transportdiffusion bezeichnet man den Transport von Stoffen entlang eines Gradienten des chemischen Potentials.^[5] Transportdiffusion wird von Strömungen unterschieden.^[6] So umfasst Konvektion im Gegensatz zu Diffusion auf makroskopischer Ebene gerichtete Bewegung aller im strömenden Medium vorhandenen Komponenten.^[1] Entsprechend enthalten Transportmodelle neben einem Diffusions-Term typischerweise einen separaten Konvektions-Term, der eine Strömungsgeschwindigkeit enthält.^[7] Während Konvektion typischerweise durch persistente Gradienten des chemischen Potentials aufrechterhalten wird,^[8] bauen Diffusionsprozesse Unterschiede des chemischen Potentials ab. Fällt ein Gradient des chemischen Potentials mit einem Gefälle der Konzentration eines Stoffes in einem Gemisch zusammen, führt Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles gemäß dem ersten Fickschen Gesetz zu einem Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Dann tritt mit der Zeit durch die gleichmäßige Verteilung der beweglichen Teilchen eine vollständige Durchmischung der im Gemisch enthaltenen Stoffe ein.^[9] Dies erhöht wiederum die Entropie des Systems. Bei Entmischungsprozessen wie spinodaler Entmischung findet Diffusion hingegen von Orten geringerer Konzentration zu Orten höherer Konzentration statt, wobei auch hierdurch das für das entmischende System relevante thermodynamische Potential ab- beziehungsweise die Entropie im Universum zunimmt.^[10]

Der Diffusionsbegriff beinhaltet neben Netto-Stofftransport durch Transportdiffusion ebenso Selbstdiffusion und Rotationsdiffusion. Selbstdiffusion umfasst zufällige, translatorische Molekülbewegung in sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen, ruhenden Systemen, in denen keine Gradienten des chemischen Potentials auftreten.^[11] Rotationsdiffusion ist ein Prozess, durch den die statistische Gleichgewichtsverteilung der räumlichen Orientierungen von Molekülen oder Teilchen aufrechterhalten oder wiederhergestellt wird.^[12]

1. ↑ ^{a b} Jean-Laurent Peube: Fundamentals of fluid mechanics and transport phenomena (= ISTE). ISTE, London 2009, ISBN 978-1-84821-065-3, 2.4.1.2. Microscopic interpretation of diffusion, S. 74 f. 
2. ↑ F.D. Fischer, J. Svoboda: Diffusion of elements and vacancies in multi-component systems. In: Progress in Materials Science. Band 60, März 2014, S. 338–367, doi:10.1016/j.pmatsci.2013.09.001 (elsevier.com [abgerufen am 11. April 2025]). 
3. ↑ siehe z. B.: K. H. Beckurts, K. Wirtz: Neutron Physics. Springer 1964, ISBN 978-3-642-87616-5.
4. ↑ Grazyna Antczak, Gert Ehrlich: Surface Diffusion: Metals, Metal Atoms, and Clusters. 1. Auflage. Cambridge University Press, 2010, ISBN 978-0-521-89983-3, doi:10.1017/cbo9780511730320 (cambridge.org [abgerufen am 11. April 2025]). 
5. ↑ Sebastian Seiffert, Wolfgang Schärtl: Physikalische Chemie kapieren: Thermodynamik, Kinetik, Elektrochemie (= De Gruyter Studium). 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. De Gruyter Oldenbourg, Berlin Boston 2024, ISBN 978-3-11-107248-7, 2.8 Chemisches Potenzial, S. 159. 
6. ↑ D.C.F. Muir: Bulk flow and diffusion in the airways of the lung. In: British Journal of Diseases of the Chest. Band 60, Nr. 4, Oktober 1966, S. 169–176, doi:10.1016/S0007-0971(66)80044-X (elsevier.com [abgerufen am 11. April 2025]). 
7. ↑ Hajer Bahouri, Jean-Yves Chemin, Raphaël Danchin: Fourier Analysis and Nonlinear Partial Differential Equations. In: Grundlehren der mathematischen Wissenschaften – A Series of Comprehensive Studies in Mathematics (= Grundlehren der mathematischen Wissenschaften). Band 343. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-16829-1, 3.4 Transport-Diffusion Equations, S. 156 ff., doi:10.1007/978-3-642-16830-7 (springer.com). 
8. ↑ T. E. Faber: Fluid dynamics for physicists. Cambridge University Press, Cambridge 1995, ISBN 978-0-521-41943-7, 8.5 Thermal convection - an introduction, S. 302 ff. 
9. ↑ Römpps chemisches Wörterbuch. Franckhsche Verlagsbuchhandlung 1969 und Arnold Arni: Verständliche Chemie. Wiley-VCH 1998, ISBN 3-527-29542-9, S. 224.
10. ↑ Xinren Chen, Frédéric De Geuser, Alisson Kwiatkowski da Silva, Chuanlai Liu, Eric Woods, Dirk Ponge, Baptiste Gault, Dierk Raabe: Using Spinodal Decomposition to Investigate Diffusion Enhancement and Vacancy Population. In: Advanced Science. Band 12, Nr. 14, April 2025, ISSN 2198-3844, doi:10.1002/advs.202412060, PMID 39965125, PMC 11984890 (freier Volltext) – (wiley.com [abgerufen am 11. April 2025]). 
11. ↑ Eintrag zu self-diffusion coefficient. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.S05582 – Version: 5.0.0.
12. ↑ Eintrag zu rotational diffusion. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.R05410 – Version: 5.0.0.