difuzija (lat. diffusio: širenje, rasprostiranje, raspršenje).
1. Difuzija (molekulska difuzija) jest spontano mikroskopsko širenje čestica (molekula, atom, ion) dviju ili više tvari u plinovima, otopinama i čvrstim tvarima iz područja veće koncentracije u područje manje koncentracije, dok se ne postigne ravnotežno stanje jednolike koncentracije, tj. ravnomjerna raspodjela čestica po volumenu. Posljedica je nasumičnog, stalnog i brzog toplinskoga gibanja čestica, koje se neprekidno sudaraju, međusobno i sa stijenkama posude, pri čem termodinamički sustav spontano i ireverzibilno prelazi iz stanja veće uređenosti (manje entropije) u stanje manje uređenosti (veće entropije). Nevidljiva je golim okom, ali je mjeriva posredno. Razlikuje se od strujanja, makroskopskoga gibanja fluida.
Fickovi zakoni difuzije tumače osnovne pojave pri difuziji s pomoću gradijenta koncentracije, koeficijenta difuzije i difuzijskoga toka.
Brzina difuzije ovisi o temperaturi (brža je što je viša temperatura), masi čestica (brža je što je manja masa čestica), gustoći tvari (brža je što je manja gustoća tvari), viskoznosti (brža je što je manja viskoznost tvari), agregatnom stanju tvari (najbrža je u plinovima, sporija u tekućinama, a najsporija u čvrstim tvarima).
Molekulsku difuziju pokreće razlika u kemijskim potencijalima između zasebnih dijelova zajedničkog volumena u sustavu jer promjena ukupne Gibbsove energije sustava, osim o tlaku i temperaturi, ovisi i o doprinosu svakoga sastojka sustava, odnosno njegovu kemijskome potencijalu. U idealnoj otopini pri standardnom tlaku kemijski potencijal otopljene tvari B iznosi: μB = μB⦵ + RT ln(cB/c⦵), gdje je μB⦵ standardni kemijski potencijal otopljene tvari B (stanje čiste tvari pri standardnome tlaku), R plinska konstanta, T termodinamička temperatura, cB množinska koncentracija otopljene tvari B, a c⦵ standardna množinska koncentracija (c⦵ = 1 mol dm–3). Ako je u pojedinim dijelovima termodinamičkoga sustava koncentracija čestica različita, one se difuzijom šire iz područja višega kemijskog potencijala u područje nižega kemijskog potencijala, odnosno iz područja veće koncentracije u područje manje koncentracije dok se ne postigne jednolika raspodjela čestica u dostupnom volumenu.
Može se opažati prigodom dodira dviju otopina različitih koncentracija obojenih tvari, tako da se razrjeđenija otopina oprezno prelije preko koncentriranije, primjerice preko koncentrirane otopine bakrova(II) sulfata (modra galica) oprezno se prelije voda. Broj molekula otapala u jedinici volumena otopine veći je u razrjeđenijoj nego u koncentriranijoj otopini. Molekule otapala šire se iz razrjeđenije otopine u koncentriraniju, a otopljeni sastojak u suprotnom smjeru. Što je veća razlika u koncentraciji u oba sustava, to je brža difuzija molekula. Kako se ta razlika koncentracija smanjuje procesom difuzije, smanjuje se i brzina difuzije. Kad se koncentracije izjednače, sustav je u ravnoteži, a otopina poprima jednoliku modru boju.
U otopinama elektrolita, na gibanje iona jedne vrste utječe i električno polje suprotno električki nabijenih iona. Ako se dvije elektrolitne otopine različita sastava (npr. otopine natrijeva klorida različitih koncentracija) odvoje polupropusnom membranom, kao posljedica difuzije kationa i aniona na granici između dvije otopine nastaje difuzijski potencijal, a naziva se još i potencijal fazne granice ili potencijal tekućeg spoja. Pokretljivost iona klora Cl– u otopini veća je od pokretljivosti iona natrija Na+. Zbog razlike u pokretljivosti iona u otopini, pa tako i brzine difuzije kroz membranu, uspostavlja se razlika u koncentracijama iona uz membranu. Otopina uz membranu električki se nabija i nastaje razlika električnih potencijala između dviju otopina. Nastalo električno polje utječe na brzinu difuzije iona, smanjuje se difuzija (pokretljivost) Cl–, a povećava difuzija iona Na+ do uspostave ravnotežnog stanja s konstantnom razlikom električnih potencijala između dvije otopine.
Ukupna brzina reakcije u kemijskim reakcijama i biološkim procesima može biti određena brzinama difuzije, osobito kad su difuzija i kemijska reakcija slijedni procesi. U reakcijama čvrstih tvari, brzina reakcije ograničena je brzinom difuzije čestica. U biokemijskim reakcijama enzimi povećavaju brzinu reakcije i više od milijun puta, a neki enzimi poput acetilkolinesteraze (hidrolizira acetilkolin), karboanhidraze (katalizira stvaranje ili razgradnju karbonatne kiseline) i triozafosfat-izomeraze što sudjeluje u glikolizi postigli su tzv. kinetičko savršenstvo, odnosno njihovu brzinu katalize ograničava samo brzina difuzije kojom susreću supstrat u otopini. Teoriju difuzijski kontrolirane reakcije u enzimskoj kinetici predložili su 1958. fizikalni kemičari i biofizičari Robert Arnold Alberty (1921–2014), Gordon Hammes (r. 1934) i Manfred Eigen.
Difuzija omogućuje izmjenu dišnih plinova (kisika i ugljikova dioksida u aerobnih organizama) između tijela i okoline ili tjelesne tekućine i stanica. U plućima se odvija izmjena plinova između zraka u plućnim mjehurićima ili alveolama i krvi u kapilarama (plućno disanje). Udahnuti zrak sadržava više kisika u odnosu na krv koja je kapilarama došla do plućnih mjehurića. Zbog razlike u koncentraciji, odnosno u parcijalnim tlakovima, kisik difuzijom prelazi iz plućnog mjehurića u kapilaru te se veže na hemoglobin u crvenim krvnim stanicama koje ga prenose do svih stanica organizma.
Ključna pretraga u pulmologiji što se rabi pri analizi respiratorne funkcije kako bi se procijenila sposobnost apsorpcije alveolarnih plinova jest određivanje difuzijskoga plućnog kapaciteta za ugljikov monoksid (engleski diffusing capacity of the lung for carbon monoxide, akronim DLCO) koji se definira kao množina plina ugljikova monoksida (CO) koji prolazi kroz respiracijsku membranu tijekom jedne minute pri razlici tlaka od 1 kPa (mjerna jedinica jest mmol min−1 kPa). Metodologiju je razvila 1915. danska liječnica Marie Krogh (1874–1943), supruga Augusta Krogha.
Lateralna ili bočna difuzija jest lateralno gibanje lipida i membranskih proteina u ravnini biološke membrane, dok je poprečna difuzija ili »flip-flop« difuzija gibanje lipida okomito na ravninu membrane i mnogo je sporije. Biološke membrane propusne su za male električki neutralne molekule, dok električki nabijene čestice poput iona natrija, kalija i kloridnih iona ili polarnih molekula poput aminokiselina, vode i glukoze teže prolaze između molekula fosfolipida. Transportni proteini (kanali, nosači i crpke) prenose ione i neke polarne molekule te povećavaju propusnost bioloških membrana. Olakšana difuzija pasivan je prijenos kroz kanale i odvija se bez utroška metaboličke energije, odnosno nije izravno povezan s hidrolizom adenozin-trifosfata.
Difuzija je moguća i kroz polupropusnu membranu, npr. pri osmozi i pri dijalizi. Na difuziji se temelji proizvodnja elektroničkih elemenata u mikroelektronici i poluvodičkoj tehnici, modificiranje svojstava površinskih slojeva u metalurgiji, djelovanje difuzijskih pumpi i dr.
2. Termodifuzija je gibanje čestica izazvano lokalnim zagrijavanjem ili hlađenjem tvari.
3. Elektrodifuzija je složeno gibanje iona kroz neku tvar pod utjecajem koncentracijskoga gradijenta (difuzija) i električnoga polja (električna migracija).
4. Difuzija svjetlosti raspršivanje je svjetlosti refleksijom na hrapavim površinama, npr. matirano staklo, ili prolaskom kroz djelomično prozirnu tvar, npr. kroz oblake.
5. Radiodifuzija je oblik masovne komunikacije koji u XX. i XXI. stoljeću omogućuje bežično slanje informacija velikom broju korisnika putem elektromagnetskih valova.
6. Kulturna difuzija širenje je ili prenošenje elemenata ili uzora kulture ili društvene organizacije iz izvornih mjesta u druge prostore: od industrijskih proizvoda i umjetničkih predmeta i stilova preko tehnologije do jezika i vjerovanja, uključujući religije. Difuzija je najjača sila društvene promjene. U povijesti se odvijala najviše zahvaljujući osvajanjima i trgovini na velikim udaljenostima. Najveći dio civilizacije nastao je zahvaljujući prenošenju elemenata ili uzora kulture i društva s Istoka na Zapad i obrnuto (od kave i svile do demokracije i interneta). Neke kulture i društva pritom su se opirali prihvaćanju vanjskih uzora (npr. Kina od XVI. st. pa nadalje u odnosu na Zapad), a neke su ih prihvatile brzo i djelotvorno (npr. Japan od polovice XIX. st.). Dinamičnost razvoja suvremene civilizacije ponajprije je rezultat difuzije inovacija, tj. znanstvenih otkrića i tehničkih izuma sa širokom primjenom u svim područjima života.
