В колебательной реакции впервые заметили «химическое эхо»

Этa взaимoсвязь пoддeрживaeтся дaжe в, кaзaлoсь бы, пoлнoстью лишeннoй синxрoнизaции систeмe. Нoвaя рaбoтa рaсширяeт спeктр систeм, в кoтoрыx мoжнo встрeтить «эxo». Спустя слeдующиe нeскoлькo сoтeн сeкунд стeпeнь синxрoнизaции внoвь спoнтaннo пoвышaлaсь, нo нe дoстигaя знaчeний, нaблюдaвшиxся в oтвeт нa импульсы. Этo aвтoкoлeбaтeльнaя рeaкция, в кoтoрoй смeсь из нeскoлькиx вeщeств пeриoдичeски мeняeт oкрaску. Пoскoльку в рeaкции испoльзoвaлся свeтoчувствитeльный катализатор, то и в роли пары инициирующих импульсов ученые использовали свет. 

Пики параметра упорядоченности, вызванные облучением светом (синий пунктир) и эхо (красный пунктир). Механизм процесса включает в себя несколько десятков элементарных стадий. Подобным образом можно описывать большой класс систем, начиная от колебаний атомов в сложных молекулах и заканчивая периодическими сокращениями клеток сердца. Tianran Chen et al. Явление заключается в спонтанном возникновении порядка в неупорядоченной системе после пары внешних воздействий. Химики исследовали систему, в которой находилась сразу тысяча шариков с катализатором, необходимым для запуска реакции Белоусова-Жаботинского. Каждый шарик был самостоятельным «реактором» и запускал колебания на собственной частоте. Исследователи из университетов Мэриленда и Западной Виргинии впервые экспериментально обнаружили «химическое эхо» в системе из 1000 параллельно протекающих колебательных реакций. В крупных ансамблях из таких «маятников» из-за их взаимодействий друг с другом может возникать синхронизация и другие необычные отклики. Tim Kench / Youtube

Маятники или, в более общем случае, осцилляторы — системы, параметры которых испытывают периодические колебания. Gavin W Morley / Wikimedia Commons

Впервые такое упорядочение было открыто на системах ядерных спинов атомов водорода — оно носит название «спинового эхо». Один из вариантов откликов — спонтанная синхронизация, проявляющаяся как «эхо» от пары внешних импульсов. Оказалось, что рассинхронизация и «забывание» осцилляторов об управляющих импульсах лишь кажущиеся — в действительности информация о воздействиях остается «записана» во взаимосвязи между фазами осцилляторов. Сейчас оно используется в технике ядерного магнитного резонанса для детального анализа строения веществ и в магнитно-резонансной томографии. Реакция Белоусова-Жаботинского в тонком слое. Схема возникновения «спинового эхо». Повторить экспериментальные наблюдения «эхо» удалось и компьютерным моделированием на системах в 100 тысяч шариков-осцилляторов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics. Внешне она проявляет себя периодическими изменениями окраски, например, с бесцветной на синюю или с фиолетовой на синюю. В классическом варианте этого эксперимента требуется смешать органическое вещество, окисляемое в реакции (обычно лимонную или малоновую кислоту), окислитель (бромат калия) и ускоряющий эти процессы катализатор (соль трехвалентного церия). Второй импульс света, который химики включали спустя несколько сот секунд, снова временно синхронизировал колебательные реакции. Авторы надеются, что аналогичные «эхо» удастся найти и в живых системах, например, в колониях бактерий. 

Реакция Белоусова-Жаботинского — представитель класса колебательных химических реакций. Каждый импульс по-одиночке синхронизирует состояние системы лишь временно — постепенно она релаксирует, возвращаясь к хаосу, однако спустя время, равное промежутку между двумя импульсами, вновь наблюдается кратковременное упорядочение, без внешних воздействий. Это показывает, что хотя отдельный «химический маятник» не может «помнить» о внешних воздействиях, совокупность их большого количества способна проявлять подобие коллективной памяти. Позднее похожие «эхо» были использованы в нейтронных методах и позволили следить за фононами и магнонами в материалах. Аналогичные явления были обнаружены в волнах плазмы. При реакции катализатор меняет свою форму с активной на неактивную и обратно — это и обуславливает смену окраски. 

Недавно химики из Университета Питтсбурга разработали метод распознавания изображений, основанный на гелях, в которых происходит реакция Белоусова-Жаботинского. 

Автор: Владимир Королёв / PRX, 2016

После первого импульса на некоторое время реакции вокруг разных шариков синхронизировались, но лишь на время.

Комментарии и уведомления в настоящее время закрыты..

Комментарии закрыты.