Allgemein bedeutet Diffusion einfach die Ausbreitung eines Stoffes oder einer Qualität von einem Gebiet mit relativ hoher Konzentration in ein Gebiet mit geringerer Konzentration. Der Begriff wird am häufigsten verwendet, um den Vorgang zu beschreiben, bei dem Moleküle unterschiedlicher Art nach anfänglicher ungleichmäßiger Verteilung durch ihre zufälligen Bewegungen eine gleichmäßige Konzentration erreichen. Dies wird manchmal als molekulare Diffusion bezeichnet und spielt in vielen Bereichen der Physik, Chemie und Biologie eine Schlüsselrolle. Es ist eng mit der Art und Weise verbunden, wie Zellen Nährstoffe aufnehmen, daher könnte das Leben ohne es nicht existieren. Der Begriff kann sich auch auf die Verbreitung von Wärme oder Licht beziehen oder im sozialwissenschaftlichen Kontext auf die Verbreitung von Ideen oder Innovationen durch die Gesellschaft.
Molekulare Diffusion
Moleküle sind aufgrund der Hitze ständig in Bewegung; selbst bei extrem niedrigen Temperaturen ist eine gewisse Wärmeenergie vorhanden, die den Partikeln eine thermische Bewegung verleiht. In Feststoffen werden die Partikel in einer relativ starren Struktur gehalten und können sich nicht zu weit von ihrer Ausgangsposition entfernen, in Flüssigkeiten und Gasen können sie sich jedoch weniger eingeschränkt bewegen. Diese Bewegung ist zufällig, da die Moleküle ständig aneinander abprallen, sodass es kein Gesamtmuster gibt. Diese zufällige Bewegung ermöglicht das Auftreten von Diffusion. Die Geschwindigkeit, mit der das Phänomen auftritt, steigt mit der Temperatur, da die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen bewegen, zunimmt.
Wenn zwei verschiedene Gase mit der gleichen Temperatur miteinander in Kontakt gebracht werden, werden sie sich im Laufe der Zeit durch die zufällige Bewegung ihrer Moleküle vermischen, bis sie gleichmäßig verteilt sind, ohne dass ein äußerer Faktor beeinflusst wird. Ein ähnliches Phänomen kann oft bei zwei verschiedenen Flüssigkeiten beobachtet werden, aber manchmal vermischen sich die Flüssigkeiten aufgrund chemischer Faktoren nicht. Zum Beispiel führt die Zugabe von Pflanzenöl zu Wasser nicht zu einer Diffusion. Wenn ein Feststoff in einer Flüssigkeit gelöst wird, diffundieren seine Moleküle durch die Flüssigkeit.
In Flüssigkeiten, die sich mischen, kann eine Diffusion beobachtet werden, wenn die Flüssigkeiten unterschiedliche Farben haben. Dieses Phänomen sollte jedoch nicht mit Konvektion oder Advektion verwechselt werden, die die Massenbewegung von Flüssigkeiten durch Strömungen beinhalten, die eine Energiequelle erfordern. Diffusion ist eine Form dessen, was Wissenschaftler als passiven Transport bezeichnen, d. h. eine Bewegung, die ohne zusätzliche Energie stattfindet. In dem oft zitierten Beispiel, bei dem ein Farbtropfen einem Glas Wasser zugesetzt wird, ist ein Großteil der Vermischung tatsächlich auf die Ströme zurückzuführen, die durch die anfängliche Bewegung des Farbstofftropfens unter der Schwerkraft entstehen. In Experimenten, die diese und ähnliche Effekte eliminieren, kann echte Diffusion beobachtet werden; Beispielsweise kann man sehen, dass farbiges Wasser durch ein Gel diffundiert, aber dies ist ein viel langsamerer Prozess.
Bedeutung für das Leben
Die Diffusion spielt auch bei den Prozessen des Zelllebens eine Rolle, insbesondere beim Transport von Nährstoffen, Aminosäuren und anderen essentiellen Substanzen von einem Ort zum anderen. Osmose, der Prozess, bei dem Moleküle durch die Wände und Membranen einzelner Pflanzen- und Tierzellen transportiert werden, ist eine Form der Diffusion. Eine Zellwand ist eine selektiv durchlässige Membran oder eine, die bestimmte Moleküle passieren können, andere jedoch nicht. Befindet sich auf einer Seite einer Membran eine Lösung mit hoher Konzentration, während auf der anderen Seite dieselbe Lösung in niedrigerer Konzentration vorhanden ist, neigt das Lösungsmittel dazu, sich in den Bereich höherer Konzentration zu bewegen, bis die beiden Lösungen das Gleichgewicht erreichen . Dies kann nur geschehen, wenn die Moleküle des gelösten Stoffes – der gelösten Substanz – größer sind als die des Lösungsmittels. Die kleineren Lösungsmittelmoleküle können die Membran passieren, die größeren sind dafür zu groß und müssen auf der anderen Seite verbleiben.
Andere Formen der Diffusion
Diffusion kann auch die Ausbreitung von Wärme durch einen Festkörper bedeuten, obwohl dies normalerweise als Wärmeleitung bezeichnet wird, und die Ausbreitung von Licht durch eine durchscheinende Substanz – zum Beispiel Milchglas in einer Glühbirne, die verwendet wird, um ein „diffuses“ Licht zu erzeugen, das mehr ist angenehm fürs Auge. Außerhalb des physikalischen Kontextes kann der Begriff verwendet werden, um die Verbreitung einer Idee oder einer innovativen Technologie durch eine Bevölkerung durch Kontakt zwischen Menschen, Konformität innerhalb einer Gruppe oder durch Beobachtung des Nutzens für andere zu beschreiben.