Колебания и бегущие полны в химических системах - Филд Р.
Скачать (прямая ссылка):
В принципе возбудимая среда может иметь более одного состояния «покоя» и может быть, по может и не быть повторно возбудимой. Например, бумага, па которой напечатана настоящая книга, может необратимо сгореть, перейдя таким образом из одного состояния покоя в другое. Здесь я сосредоточусь иа возбудимых средах, которые возвращаются в то же самое состояние покоя и, таким образом, восстанавливают свою способность к возбуждению.
Неживой аналог степного пожара дают представители семейства химических реакций, первую из которых открыл Белоусов примерно в 1950 г. [70]. Обычно эти реакции называются реакциями Белоусова—Жаботинского. Наиболее распространенные на сегодня варианты этой реакции используют в качестве субстрата малоиовую кислоту. Они могут находиться в режиме автоколебаний, по существование колебательных режимов не обязательно. Однако в любом случае они являются возбудимыми. Широко используется такая разновидность системы, в которой отсутствуют колебания. Ее обычно называют Z-реагентом [1002]. В этих средах, которые здесь мы будем обобщенно называть системой с малоновой кислотой, редокс-переход распространяется посредством мелкомасштабной (по пространству) диффузии молекулярных компонентов. После прохождения импульса окисления каждый элемент объема приближается к своему стационарному состоянию и вновь становится возбудимым.
Эта химическая система очень удобна для наблюдения трехмерных волновых структур. В случае трех измерений возникает большое число топологических особенностей. Эти особенности заключены в небольшой области, из которой периодически излучаются концентрические сферические волиы. Ниже в этой статье я опишу структуру таких активных центров на качественном уровне п с помощью рисунков. Здесь не делается попыток представить экспериментальные или численные иллюстрации таких воли или хотя бы явно дать соответствующие уравнения. Если на поставленные вопросы требуется ответить апеллируя к примерам илн контрпримерам, то, очевидно, такие попытки необхо--днмо предпринять.
12.1.2. Пейсмейкеры кольцевых структур
Занкин и Жаботинскпй [1035] были первыми, кто в известной ныне колебательной системе обнаружил и описал волновые Фронты, расходящиеся нз исходной точки в виде концентрических колец, образующих структуру «мишени» (рис. 12.1). Рассматривая такую структуру абстрактно, можно вспомнить пруд, в который падают капли дождя, поле агрегирующих амеб, которые собираются к клетке-«пенсмейкеру» выделяющей АМФ. сердце, которое функционирует под управлением потенциала
476
Глава 12. А. Винфт
действия, исходящего из «эктопического фокуса», или территорию, которая поражается эпидемией, исходящей из постоянного ¦очага инфекции. Во всех этих случаях возникает геометрическая картина, подобная стрелковой мишени, отчего она и получила свое название. Сейчас известно, что такие структуры могут образовываться и в различных возбудимых химических средах [270, 730, 774], которые были найдены вслед за первыми системами Белоусова (см. приложение в конце книги) и Заикина — Жаботинского.
Процесс распространения химических волн от точечного источника представляется достаточно понятным. Однако среди химиков и математиков нет согласия относительно природы самого источника. В принципе на этот вопрос можно ответить прямо. При подходящих начальных условиях источник может возникать в параметрически однородной среде вследствие «диффузионной неустойчивости». Источником может быть также локальная неоднородность («гетерогенный центр»). Неоднородность может быть химической или физической: она может представлять собой реагирующую илн каталитическую частицу или просто особые граничные условия (см. ниже). Могут сосуществовать все три возможности. В принципе эти альтернативы можно различить экспериментально. Можно даже предположить практиче-
Рнс. 12.1. Концентрические кольцевые волны, движущиеся с различными я непостоянными периодами от дискретных точечных источников в системе с малоновой кислотой. Подобная картина типична для различных колебательно-возоудимых химических систем, найденных в последние годы.
ское применение таких источников н устройстве, напоминающем камеру Вильсона: очевидно, что мелкая пыль содержит частицы микроскопических размеров, которые являются пейсмейкерами кольцевых структур, и каждая нз них сигнализирует о своем присутствии образованием произвольно большой и хорошо заметной картины «мишени» — что может регистрироваться с подобной чувствительностью? Удивительно, однако, что в течение полутора десятилетий со времени, когда этот вопрос породил дискуссию в отношении химических систем, никто систематически не проделывал такие эксперименты. В настоящее время литература изобилует сведениями о наблюдениях, которые относятся к данному вопросу, но эти сведения случайным образом вкраплены в статьи, посвященные другим экспериментальным результатам. Имеется очень мало детальных описаний, по которым можно было бы воспроизвести конкретный эксперимент или которые могли бы способствовать развитию детальной теории. Создается впечатление, что существует несколько видов пейс-мейкеров: фильтрующиеся частицы, поверхностные дефекты или липкие частицы на поверхности раздела, двух- или трехмерные диффузионные структуры (не обязательно возникающие вследствие одной и той же неустойчивости) определенного вида II с определенным периодом.
