| |||
| ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Научные открытия в области электрохимии и физической химии. Научное открытие "Явление образования концентрационных автоволн в гомогенной активной химической среде". Формула открытия: "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление образования концентрационных автоволн, заключающееся в том, что в гомогенной активной химической среде возникают концентрические и (или) спиральные самоподдерживающиеся динамические волновые структуры". Авторы: А. М. Жаботинский, А. Н. Заикин. Номер и дата приоритета: № 174 от 27 ноября 1970 г. Описание открытия. Ученые Института биофизики – доктор физико-математических наук А. М. Жаботинский и кандидат физико-математических наук А. Н. Заикин – открыли явление возникновения незатухающих концентрационных волн (автоволн), образующих самоподдерживающиеся концентрические и спиральные динамические структуры в гомогенной (т. е. состоящей только из одной фазы) химически активной среде. Экспериментально была создана гомогенная система, состоящая только из одной фазы, и при этом, периодически изменяющая своё состояние – однородный раствор, ритмически меняющий цвет. Первая математическая модель концентрационного периодического процесса была создана в 1910 году американским биофизиком А. Лотка, который применил ее для описания как изменений численности популяции животных, так и кинетики химических реакций. Это стимулировало многих исследователей на поиски периодических химических реакций, протекающих в гомогенной системе. Например, Д. А. Франк-Каменецкий использовал эту модель, чтобы объяснить возникновение периодических вспышек холодного пламени при окислении углеводородов в газовой фазе. Была обнаружена и периодическая реакция, протекающая в растворе. Однако одновременно с началом работ в этой области возникло, а затем стало общепринятым мнение, что в изолированных гомогенных системах колебания концентраций принципиально невозможны. Существенную отрицательную роль в этом сыграл второй закон термодинамики, с которым связано немало серьезных заблуждений (например, теория тепловой смерти Вселенной) и острых дискуссий. Этот закон утверждает: любая изолированная система неизбежно приходит в состояние термодинамического равновесия. Причем если система находится близко к этому состоянию, то все дальнейшие изменения могут происходить только монотонно, т. е. без каких бы то ни было колебаний. Делался вроде бы бесспорный вывод: колебания возможны лишь в системах, имеющих, подобно обычным часам, определенную пространственную структуру. В 1951 году выдающийся российский химик Борис Павлович Белоусов обнаружил колебания в гомогенной химической системе. В 1961-1965 годах А. М. Жаботинский продолжил исследования механизма реакции, открытой Б. П. Белоусовым. Было установлено, что в данном случае незатухающие колебания (автоколебания) концентраций происходят действительно в гомогенном растворе, причем, как оказалось, подобная химическая система может генерировать практически все типы колебаний, способных возникать в обычных электрических или механических устройствах. Со временем это открытое явление стало общенаучным достоянием и вошло в учебники химии под названием «колебательная реакция Белоусова-Жаботинского», а в мировой научной литературе почётно именуется «BZ-reaction». Совершенно очевидно, что никакие обычные механические часы не будут работать, если их распилить или хотя бы вынуть из них одну шестерню. Химические часы можно делить на части, их ход от этого не изменится. Высокую надежность биологических систем как раз и можно объяснить тем, что они, обладая четкой микроструктурой, состоят из очень большого числа параллельно работающих микросистем. В результате макроскопическая структура перестает играть особую роль. Не исключено, что химические колебательные процессы лежат в основе механизма до сих пор еще загадочных биологических часов. Во всяком случае, между химическими автоколебательными процессами и ритмическими процессами жизнедеятельности существует явная связь. Экспериментальные исследования А. М. Жаботинского и А. Н. Заикина привели их к установлению нового класса явлений в науке о колебаниях и волновых процессах – автоволн в гомогенной активной химической среде. Сущность открытия состоит в том, что в тонком слое реакционной смеси (в двухмерной распределенной активной гомогенной среде) возможно образование источников концентрационных волн - спиральных или концентрических. Это явление было обнаружено при проведении реакции окисления броммалоновой кислоты броматом в присутствии катализатора – комплексных ионов железа. При перемешивании раствора в такой системе происходит колебательный процесс: катализатор периодически переходит из восстановленной (красной) формы в окисленную (голубую) и обратно. В распределенной системе в этом случае наблюдается распространение концентрационных автоволн, внешне представляющих собой чередование красных и голубых полос. Характерными свойствами этих волн являются независимость их скорости и периода от краевых и начальных условий и от линейных размеров среды. При комнатной температуре и нормальном давлении длина волны составляет 0,1-1 см, скорость движения волн 0,01 см/с. Оптическая плотность и цветовой контраст в разных фазах волны меняются значительно, так что явление можно наблюдать невооруженным глазом и легко регистрировать. Анализ автоволнового процесса в рамках теории колебаний и волновых процессов показывает, что автоволны должны возникать в широком классе распределенных активных систем. При этом материальная природа системы не играет существенной роли: автоволны могут возникать в различных средах – физических, химических, биологических. Этим обстоятельством определяется возможность практического использования открытия. В частности, реализация активной распределенной физической системы на базе тонкопленочной технологии может привести к созданию бесструктурных запоминающих систем и высокостабильных генераторов. Уже давно предполагалось, что автоволны являются причиной возникновения сердечных аритмий. Открытие А. М. Жаботинским и А. Н. Заикиным образования концентрационных автоволн в гомогенной активной химической среде является первым экспериментальным подтверждением существования автоволн и дает в руки исследователей необходимую модель для дальнейшего изучения этих процессов. Учет автоволновых явлений целесообразен при разработке новых антиаритмических препаратов. Автоволновые образования могут быть причиной нестабильности и шумов в различных распределенных технических системах, например, таких, в которых рабочим телом является плазма. Знание природы автоволн способствует их использованию в принципиально новых пространственно-временных технических устройствах. Главная КОСМОС ЗЕМЛЯ ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА МАТЕМАТИКА |