Наряду с временными колебаниями концентраций реагентов, интермедиатов и продуктов, в реакции БЖ могут наблюдаться бегущие пространственные неоднородности концентраций соединений – волны концентраций [18]. Способность образовывать распространяющиеся волновые фронты постоянной скорости и постоянного концентрационного профиля является интересной особенностью автокаталитических реакционно-диффузионных систем. Такие фронты возникают из-за взаимодей-ствия химической реакции и диффузии и получили название реакционно-диффузионных волн.
В реакционно-диффузионной системе могут наблюдаться два типа волн. Первый тип – это так называемые фазовые волны, или псевдоволны, в образовании которых процесс диффузии не играет никакой роли, так как они возникают просто из-за существования монотонного градиента фазы в колебательной среде. Второй тип волн – это так называемые триггерные волны, или истинно химические волны. Они возникают в результате взаимодействия химической реакции и диффузии и могут появляться как в колебательной, так и в неколебательной (возбудимой) среде. Продвижение триггерных волн может происходить только в том случае, если химическая система претерпевает резкие и значительные изменения концентраций интермедиатов и если эти изменения могут быть распространены в объеме среды. И в колебательной, и возбудимой среде триггерные волны инициируются процессом, который приводит к образованию большого градиента концентраций. В результате начинается процесс диффузии интермедиатов в прилегающие области, что приводит к их возбуждению и распространению триггерной волны. Триггерные волны инициируются «пейсмейкером» – ведущим центром [5]. Природа пейсмейкера до сих пор не установлена, но в качестве ведущего центра могут выступать царапины, пузырьки газа, частицы пыли на поверхности реакционного сосуда. Повторяемая инициация волн на данном пейсмейкере в 2М системе БЖ ведет к образованию серии концентрических кругов вокруг него [19]. Триггерные волны распространяются в среде со скоростью, определяемой скоростью химических реакций и диффузионными свойствами интермедиатов. Таким образом, триггерные волны, в отличие от фазовых волн, все имеют одинаковую скорость в среде данного состава. Триггерные волны уничтожаются границами раздела, так как они напрямую связаны с транспортом вещества.
Существует три типа бегущих концентрационных неоднородностей, способных распространяться в 1М среде: фронт, импульс, периодические или непериодические последовательности волн. Отличие между фронтом и импульсом в том, что после прохождения импульса система возвращается в исходное состояние, а фронт оставляет систему в состоянии, отличном от того, в котором она находилась до его прохождения [5]. В 2М пространстве наблюдаются расширяющиеся концентри-ческие круговые волны и вращающиеся спиральные волны. В 3М пространстве они трансформируются в расширяющиеся сферические волны и вращающиеся рулонные волны[19].
Пространственно-диссипативные временные структуры в реакционно-диффузионной системе могут наблюдаться только в случае удаленности кинетического процесса от состояния термодинамического равновесия. Другое необходимое условие распространения химических волн состоит в том, чтобы скорости кинетических процессов были нелинейными функциями переменных, описывающих систему.
Химические волны в реакционно-диффузионных системах являются моделями автоволновых процессов в сообществах клеток, лежащих в основе механизмов морфогенеза, возникновения аритмий, процессов кратковременной памяти и других процессов, связанных с распространением возбуждения в нервных системах [20].
Буссе [21] первым наблюдал распространение волн в реакции БЖ с малоновой кислотой, катализируемой церием. Колебательная среда была помещена в вертикальный цилиндр, и волны индуцировались градиентом концентрации серной кислоты вдоль оси цилиндра. Градиент концентрации серной кислоты приводил к появлению градиента частоты и фазы, что, в свою очередь, вело к кажущемуся распространению фазовой волны. Авторы [7] наблюдали распространение химических волн в тонком слое реакционного раствора, содержащего малоновую и броммалоновую кислоты и ферроин. Этот катализатор предпочитают использовать при визуальном наблюдении химических волн, так как переход из восстановленной в окисленную форму катализатора сопровождается изменением окраски реакционного раствора от красной до голубой.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.