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En 1851, il devient docteur en médecine et, en 1855, il introduit deux lois phénoménologiques sur la diffusion de la matière, connues sous le nom des lois de Fick. La première loi décrit la relation entre le flux et le gradient de concentration d'une espèce chimique diluée, et est inspirée de la loi de Fourier pour les transferts thermiques (établie en 1822). C'est Albert Einstein qui démontrera la loi de Fick en 1905 avec ses travaux sur la loi stochastique. En 1908, Jean Perrin, fondateur du CNRS et prix Nobel de physique, fut le premier à mesurer la trajectoire de particules soumises au mouvement brownien et confirma ainsi l'analyse théorique d'Einstein.