Passive Bewegung durch Diffusion

Zusammenfassung

Als Diffusion bezeichnet man die auf der thermischen Bewegung einzelner Teilchen beruhende Durchmischung verschiedener Substanzen wie Gase oder Flüssigkeiten, also zum Beispiel den zeitlichen Prozess, mit dem sich ein Tintentropfen in einem Wasserglas ausbreitet. Dieser Prozess der Durchmischung (das lateinische Wort diffundere bedeutet zerstreuen oder ausbreiten), der auf der makroskopischen Ebene durch die Fick’schen Gleichungen beschrieben werden kann, verbindet die makroskopische Diffusion mit der molekularkinetischen Theorie der Wärme. Diese von Einstein auf eine fundierte theoretische Grundlage gestellte Verbindung, insbesondere die Idee, dass die sichtbare, von Brown und anderen beschriebene Bewegung einzelner Pollenpartikel in einem Wasserbad durch das Aufprallen der ihn umgebenden Wassermoleküle herrührt, war ein wichtiges Argument für die Richtigkeit der atomistischen Lehre. In den folgenden Abschnitten wollen wir zuerst einige Beispiele aus der Biologie besprechen, bei denen Diffusion eine wichtige Rolle spielt, und dann ausgehend von Überlegungen über die Situation eines einzelnen Moleküls in einem diskreten Gittermodell die grundlegenden Diffusionsgleichungen veranschaulichen und damit die Brücke zu den zeitlich davor entdeckten makroskopischen Diffusionsgleichungen schlagen. Die thermische Diffusion gibt ein oberes Limit für die passive Transportgeschwindigkeit von Molekülen vor. Die Implikationen in biologischen Systemen und wie die Natur andere Lösungen für einen schnelleren Transport gefunden hat, wollen wir noch kurz zum Schluss ansprechen.