Перемежаемость как бифуркационный путь перехода оксигидратных систем к хаосу (стр. 1 )

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

Поступила в редакцию 23 февраля 2017 г. УДК 541.182,644.001.5.

Перемежаемость как бифуркационный путь перехода оксигидратных систем к хаосу

© Сухарев1*+ Юрий Иванович, Апаликова2 Инна Юрьевна

и Марков3 Борис Анатольевич

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Челябинский государственный университет». . Челябинск, 454001. Челябинская обл. E-mail: *****@***ru.

2 Челябинское высшее военное авиационное краснознамённое училище штурманов,

филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная

академия имени профессора и » (г. Челябинск).

Городок-11, д. 1, филиал ВУНЦ ВВС «ВВА». Челябинск, 454015.

3 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)». пр. Ленина, 76. г. Челябинск, 454080. Россия. E-mail: *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: запутанные состояния, эмиссионно-волновая двойственность, квантовые корреляции, лагранжевы отображения, операторЛизеганга, мультиполи, оксигидратные гелевые системы, коллоидные кластеры, самопроизвольный пульсационный поток, диффузный двойной электрический слой, топологический континуум, диссоциативно-диспропорциональный механизм, теория Уитни, геометрия каустик, шумовые состояния.

Аннотация

В настоящей статье рассмотрены экспериментальные данные – самопроизвольные токи в оксигидратах редких металлов. Рассмотренные данные сопоставлены с осциллятором Ван-дер-Поля, и на основе сопоставления сделан вывод о сходстве токов слоёв Штерна-Гуи и токов осциллятора. Дальнейшее рассмотрение хаотической природы токовых колебаний с помощью усреднения приводит к выводам об устойчивости «среднего колебания» и о его нарастающей хаотизации. Рассмотренная хаотизация, по мнению авторов, будет оказывать весьма значительное влияние на химические реакции в коллоиде. Разность потенциалов (примерно 0.2 Вольта), возникающая между электропроводящими электродами, помещёнными в коллоид, например, оксигидрата редкого металла и соединёнными друг с другом через измерительный прибор возникает и идёт наноэлектроток, составляющий от нескольких наноампер до микроампера. Это обстоятельство является важнейшей характеристикой вещества, определяющей его кластерообразование и тонкое структурирование во времени.

Установлено формирование синхронизированных спиральных волн в  ячейках коллоидов d - и f - элементов, а именно их ДЭС, которые инициируют потоковые движения ионно-кластерных образований, причем эта система может быть представлена взаимодействующими осцилляторами Ван-дер-Поля.

Вследствие осуществления потокового движения ионно-кластерных образований гелевых оксигидратных систем выявлено явление их перемежаемости как один из возможных сценариев перехода к хаосу. В этом случае происходит смена цугов одних колебаний другими, и со временем процесс становится полностью хаотическим. При этом наблюдаются процессы удвоения периода колебаний Фейгенбаума. Переход квазипериодических колебаний к хаосу во многом подобен также переходу через квазипериодические движения на . В дискретной системе трехчастотным квазипериодическим движениям соответствует инвариантный двумерный тор .

Хаотизация с точки зрения математики происходит, если процесс колеблется между несколькими такими точками, и эти стационарные точки (точки химического равновесия) неустойчивы. Каждая из точек соответствует сбалансированному химическому квазиравновесию в системе оксигидрата циркония, а переключение между точками соответствует ситуации, когда балансы разрушаются, и один процесс подавляет другой, а потом уступает место третьему. При этом устойчивый квазиравновесный процесс вдруг может стать неравновесным из-за изменения параметров системы, то есть при бифуркации. Например, процессы гидратации может составить конкуренцию росту полимерной цепи. Для мономеров наибольшую концентрацию в растворе должна иметь тригидратная форма (ZrO(OH)2·3H2O), для других кластеров количество воды в гидратной оболочке иное. С увеличением длины цепи ее нестабильность возрастает многократно, что резко увеличивает вероятность релаксации метастабильного состояния, то есть деструкции цепи. При определенной длине полимерной цепи происходит ее разрыв. В результате два получившихся фрагмента являются более стабильными и могут вновь продолжить рост. В случае недостатка мономеров в растворе рост цепей продолжится за счет изотермической перегонки менее стабильных цепей в более стабильные. Таким образом, последовательный рост цепей и их дискретная деструкция обеспечивают временную периодичность свойств геля.

Введение

Оксигидратные системытипа оксигидратов циркония, кремния и других [1, 2] широко распространены в природе. Процессы в них сложны и нелинейны, и достаточно трудно сказать, каким физическим или химическим содержанием они обладают. Если процессы нелинейны, то в таких системах могут развиваться хаотические явления.

Действительно, в оксигидратах редких металлов присутствуют явления, которые можно расценить как хаотические. Значит, процесс химических реакций подвергнется сильному воздействию со стороны хаотического процесса, и реакции могут пойти неожиданным, непредсказуемым и неравновесным образом.

Для изучения хаотических процессов мы предлагаем взять явление нанотоков, обнаруженное в оксигидратах редких металлов.

Результаты и их обсуждение

Многочисленные эксперименты [1-5] показывают, что между электропроводящими электродами, помещёнными в коллоид оксигидрата редкого металла и соединёнными друг с другом через измерительный прибор (рис. 1), возникает разность потенциалов (примерно 0.2 Вольта) и идёт небольшой электроток, составляющий от нескольких наноампер до микроампера (рис. 2). Это описано в большом количестве публикаций (например, [1-5]).

Измерения, на первый взгляд, показывают, что токи носят случайный характер. При этом величина тока колеблется около среднего значения, не меняясь со временем – есть только случайные отклонения от сред-ней величины. Процесс представляется хаотическим, однако можно заметить, что на самом деле он не вполне случайный: есть «цуги» волн, которые затем сменяются промежутками, соответствующими току, который мало отличен от среднего значения. Такое поведение нанотока заставляет предполагать, что процесс всё-таки не является чисто случайным, а как-то упорядочен. Поэтому попробуем выяснить, что это за процессы.

В цепь включён амперметр (электронные системы на основе приборов L-CARD или ZLab) [4-6], в прямоугольную ячейку (она обозначена на рисунке прямоугольником, закрашенным серым цветом) помещены графитовые или платиновые электроды. Площадь электродов составляет примерно один квадратный сантиметр.

Один из экспериментов по измерению тока. По оси ординат измеренный ток в наноамперах, по оси абсцисс – число замеров в десятках тысяч. 10000 замеров соответствуют 2000 секунд, продолжительность всего опыта – 5 часов.

Физико-химия коллоида. Простые колебания. Коллоид сформирован двойными электрическими слоями Гуи-Штерна, следовательно, в нём присутствуют диффузные области ДЭС, содержащих заряженные частицы мицеллярного коллоида. Слои Гуи-Штерна начинают пульсировать, колебаться, стремясь достичь некоторого псевдоравновесия в сугубо неравновесной коллоидной системе.

Перезарядка слоёв Штерна происходит за счёт химических реакций коллоидных фрагментов взаимодействия, то есть перехода в раствор иона с последующим разрывом полимерной цепи длинной молекулы оксигидрата, а также прохождением процессов оляции и оксоляции с выходом ионов водорода и других частиц в мицелярный раствор. Эти явления описаны достаточно подробно в [4, 7]. Таким образом, происходит стохастическое перемещение заряженных частиц (или ионов) между диффузными слоями ДЭС, что вызывает появление новой разности потенциалов, а это, в свою очередь – регистрируемых электрических нанотоков.

Уподобим процесс в диффузных слоях ДЭС-ламповому генератору с автоэмиссионным катодом. Нам, конечно, сложно судить о степени «эмиссионности» слоя Штерна, но основное уравнение лампового генератора Ван-дер-Поля согласуется с явлением: можно предположить, что ток, выходящий из слоя Штерна, пропорционален разности потенциалов на этом слое, вызванной внешней силой. Для получения истинной вольт-амперной характеристики слоя Штерна необходимо его непосредственное экспериментальное изучение, что вряд ли возможно.

Электрическое поле соответствует поверхностной плотности на обкладках «конденсатора», , где – электрическое поле, – поверхностная плотность заряда в слое Штерна. Ёмкость плоского конденсатора , где – площадь слоя Штерна, – диэлектрическая проницаемость мицеллярной жидкости, – расстояние между слоями Штерна, – универ-сальная электрическая постоянная. Следовательно, ток будет равен , где – эффективный заряд «конденсатора».