Электродиффузия – перенос вещества в расплавах с электронной или дырочной проводимостью (например, сплавов Na с К, Hg с Cd, Ga с As) при пропускании постоянного электрического тока. Наблюдается также в твердых телах, однако в этом случае происходит значительно медленнее. Известна электродиффузия изотопов в металлах; обычно более лёгкий изотоп мигрирует к аноду. 

Электродиффузия характеризуют электрическую подвижностью ионов i-го компонента, равной скорости их направленного движения при напряжённости поля 1 В/см, и эффективным зарядом . Эти параметры связаны уравнением Эйнштейна:

u_i = z_ieD_o/kT,

где D_o – коэффициент молекулярной диффузии, е – элементарный электрический заряд. При достаточно длительном пропускании электрического тока электродиффузия уравновешивается обратной диффузией и конвекцией и достигается стационарное распределение концентрации с i-го компонента в образце, определяемое соотношением

где Δφ – разность электрических потенциалов между точками 2 и 1, D – эффективный коэффициент диффузии. При высоких значениях u_iΔφD степень разделения компонентов при электродиффузии весьма велика. Одним из факторов, определяющих электродиффузию, является электронный ветер – увлечение ионов компонентов потоком электронов проводимости. В разбавленном бинарном растворе z₂^* = z₂ - z₁σ₂/σ₁, где z₂ и z₁ – истинные заряды ионов, σ₂ и σ₁ –сечения рассеяния ими электронов.

В простейшем случае, когда перенос заряда и массы осуществляется одними и теми же частицами с зарядом q и концентрацией n, существует связь между электропроводностью σ и коэффициентом диффузии D, установленная Нернстом и Эйнштейном:

 

Явление электродиффузии привлекается в биофизике для теоретического описания моделей ионного транспорта в органических липидных мембранах живых существ, для описания процессов лежащих в основе синаптической связи.

Также электродиффузию используют для глубокой очистки металлов в жидкой фазе, выращивания монокристаллов металлов и эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений, например GaAs.

Электродиффузия может применяться для лазерной селекции изотопов. При облучении молекул возбуждающим излучением их подвижность в пористой матрице уменьшается. Этот эффект может быть использован для разделения изотопов, атомов и молекул, а электродиффузия позволяет на несколько порядков увеличить производительность процесса разделения.

Теперь рассмотрим многобарьерную модель ионного транспорта. Начнем с уравнения

      (1)

Если исходить из переноса иона внутри мембраны по механизму кинков, то проще всего предположить, что мембрана однородна и ион при движении преодолевает множество одинаковых ям, разделенных барьерами одинаковой высоты. При этом разность потенциалов между соседними ямами невелика; это позволяет заменить величины e^-z и e^+z приближенными значениями 1-z и 1+z.

Уравнение (1) приобретает такой вид:

        (2)

После небольшой перегруппировки получаем:

           (3)

При малых величинах можно считать, что

         (4)

Аналогично, разность потенциалов между соседними барьерами 2 (как и между соседними ямами), расстояние между которыми, как мы помним, равно , связана с градиентом потенциала вдоль оси Х очевидным соотношением:

         (5)

Кроме того, полезно ввести понятие средней концентрации иона в области данной ямы:

          (6)

Подставив эти величины в уравнение 18, получаем:

           (7)

Подставим в полученное уравнение коэффициент диффузии (см. уравнение 6 в разделе 4):

           (8)

Мы вывели важнейшее уравнение, которое является основным уравнением электродиффузии.

 

Рассмотрим процесс прохождения заряженных ионов по рецепторному каналу. В сущности это прохождение электрического тока по проводнику. И, как всякий электроток, он должен генерировать соответствующее электрическое поле. Если по рецепторным каналам внутрь клетки проходят ионы, то образующееся в синаптической щели поле должно, за счёт электромагнитного взаимодействия, «втягивать» в щель аналогичные по заряду ионы, и «выталкивать» заряженные противоположно. Однако вещества-нейромедиаторы, передающие нервный сигнал от пресинаптической клетки к постсинаптической, обычно также являются ионами. Т.е. такое электрическое поле должно изменять их концетрацию в синаптической щели; при изменении концентрации медиатора будет меняться количество связанных с ним (а, значит, способных к открытию) рецепторов, т.е. количество открытых ионных каналов в постсинаптической мембране и, следовательно, суммарная величина тока через эти каналы в каждый момент времени. В свою очередь, мощность возникающего поля прямо пропорциональна силе тока через открытые ионные каналы, а эта сила тока – мембранному потенциалу. Чем этот потенциал (т.е. разность электрических зарядов на разных сторонах мембраны-изолятора) больше, тем больше ионов проходит через каналы в мембране за единицу времени, генерируя более мощное электрическое поле: чисто физическое построение на основании закона Ома.

Таким образом, получаем: кинетика нервного сигнала регулируется электрическим полем, возникающим при прохождении этого сигнала. Весь целиком процесс регулировки концентрации ионов в синаптической щели посредством электрического поля был назван «электродиффузией».