Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher verallgemeinern das erste Diffusionsgesetz

30.06.2005


Aktuelle Publikation im "Journal of Chemical Physics"



1855 stellte der Physiologe Adolf Eugen Fick, der in Zürich und Würzburg forschte, seine Diffusionsgesetze auf. 150 Jahre später sind es nun erneut Wissenschaftler von der Uni Würzburg, die eines dieser Gesetze verallgemeinert haben. Dadurch öffnen sich in der Forschung neue Möglichkeiten.



Der Mensch ist daran gewohnt, dass Transportvorgänge - etwa mit der Bahn oder dem Flugzeug - zielgerichtet und planmäßig ablaufen. Anders verhält es sich in der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle. Diese winzigen Teilchen bewegen sich aufgrund der Umgebungswärme zufällig, was Fachleute als Brownsche Molekularbewegung bezeichnen.

Trotzdem gerät im Mikrokosmos nicht alles durcheinander: Unterschiede in der Konzentration der Teilchen sorgen dafür, dass deren Transport vorzugsweise in eine Richtung läuft. Auf dieser so genannten Diffusion beruhen fast alle Stofftransporte in Lebewesen, so etwa der Gasaustausch in der Lunge oder die Aufnahme von Nährstoffen in die Zelle.

1855 beschrieb Fick mit seinen Gleichungen, wie sich die Konzentration eines Stoffes durch Diffusion lokal verändert. Erst 50 Jahre später, anno 1905, führten Albert Einstein und Marian Smoluchowski diesen Transport auf die Brownsche Molekularbewegung zurück. Gleichzeitig erweiterten sie die Fickschen Gleichungen, um den Einfluss von Kraftfeldern auf die diffundierenden Stoffe zu berücksichtigen.

Weitere 100 Jahre später gelang es jetzt den Forschern Wolfgang R. Bauer von der Medizinischen Klinik I der Uni Würzburg und Walter Nadler von der Uni Wuppertal, das erste Ficksche Diffusionsgesetz zu verallgemeinern. Damit lässt sich nun der Strom der Teilchen zwischen zwei Gebieten unterschiedlicher Konzentration für beliebige Systeme berechnen. Während Fick, Einstein und Smoluchowski die Diffusion nur lokal, also an einem Ort im Raum beschrieben, ergibt sich aus der Arbeit von Bauer und Nadler der gesamte Strom in Abhängigkeit aller Wechselwirkungen, denen die Teilchen auf ihrem Weg ausgesetzt sind. "Dabei zeigt sich, dass nur zwei Kenngrößen wesentlich sind", erklärt Bauer, nämlich die mittlere Zeit zum Durchqueren des Transportraums und eine spezifische Besetzungszahl. Diese misst gewissermaßen, wie viele Teilchen im Transportraum Platz finden.

"Damit ist man nun in der Lage zu erkennen, welche Wechselwirkungen diffusive Transportprozesse verstärken oder abschwächen", sagt der Würzburger Forscher. Werden die Teilchen auf ihrem Weg zum Beispiel von Bindungsstellen eingefangen, so könne das ihren Transport verstärken - obwohl man eigentlich das Gegenteil annehmen würde.

Mit dieser neuen Erkenntnis ist die Wissenschaft laut Bauer nun dazu in der Lage, in biologischen Systemen den Diffusionstransport in Membrankanälen oder von Molekülen im Energiestoffwechsel zu verstehen. Andererseits lasse sich dieses Wissen in der Nanotechnologie nutzen, um zum Beispiel molekulare Motoren zu konstruieren oder zu verbessern.

Wolfgang R. Bauer, Walter Nadler: "Stationary flow, first passage times, and macroscopic Fick’s first diffusion law: Application to flow enhancement by particle trapping", The Journal of Chemical Physics 122, 244904 (2005), online publiziert am 29. Juni 2005, DOI: 10.1063/1.1940056

Weitere Informationen: Prof. Dr. Wolfgang R. Bauer, T (0931) 201-36198, Fax (0931) 201-36291, E-Mail: Bauer_W@klinik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Berichte zu: Diffusion Diffusionsgesetz Molekül Teilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Treibjagd in der Petrischale
24.11.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Dinner in the Dark – ein delikates Wechselspiel der Mikroorganismen
24.11.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Metamaterial mit Dreheffekt

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen, sowie die zu Grunde liegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

„Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder...

Im Focus: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungen

Forschungsschwerpunkt „Smarte Systeme für Mensch und Maschine“ gegründet

24.11.2017 | Veranstaltungen

Schonender Hüftgelenkersatz bei jungen Patienten - Schlüssellochchirurgie und weniger Abrieb

24.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

24.11.2017 | Förderungen Preise

Treibjagd in der Petrischale

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie