АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЕТА
, ,
Саратовский государственный университет имени
*****@***ru
Исследования последних нескольких десятилетий [1,2] показали, что во многих физических, химических, биологических и экологических системах возможно возникновение самоподдерживающихся упорядоченных структур.
Это явление, характерное для протекания нелинейных неравновесных процессов в открытых системах при условии, что микропроцессы протекают кооперативно, получило название «эффект самоорганизации», а сами системы стали называться «диссипативными структурами» [3]. Возможность проявления пространственных, пространственно-временных и временных структур была признана после появления фундаментальных работ по неравновесной термодинамике, а также после введения понятий «диссипативная структура» «самоорганизация» [1, 3] и «синергетика» [2].
Особо следует выделить химические нестабильности – неравновесные фазовые переходы в химических системах, так как они дают много примеров реализации пространственных, пространственно-временных и временных структур [4]. В разных мировых научных центрах проводят поиск новых колебательных химических систем, исследуют возможности появления колебательных режимов в ранее известных реакциях, а также разрабатывают физико-математические основы описания наблюдаемых явлений [4].
Особый интерес представляет исследование влияния внешних физических факторов на колебательные химические процессы. Поскольку измерение частоты колебаний - одна из наиболее простых и точно выполняемых операций, то автоколебательные химические реакции можно использовать в аналитических целях. Управлять автоколебательным химическим процессом можно электромагнитным излучением на частотах спектра поглощения молекулярного кислорода, динамически изменяющейся температурой, светом. Важным является создание универсальной модели управления автоколебательным процессом, включая возможность управления внешним физическим фактором сердечной деятельностью биологических объектов.
Целью работы является разработка моделей и методов исследования влияния на автоколебательные процессы в химических системах, при периодическом световом воздействии на них.
Автоволновые процессы, играют важную роль в функционировании живых систем. Изучение их свойств является ключом к пониманию многих явлений в нервной системе, работе мышц, морфогенезе, динамике экосистем и других областях биофизики. Нарушение режимов распространения автоволн ведет к серьезным нарушениям жизнедеятельности. Так в сердечной мышце возникновение спиральных волн приводит к некоторым опасным для жизни аритмиям. Управляя возникшей волной при помощи внешних воздействий, можно ликвидировать такую аритмию. Этими обстоятельствами определяется важность исследования автоволновых процессов. Известно, что при внешнем воздействии наблюдаются эффекты затягивания частоты и синхронизации колебаний в автоколебательных системах различной природы. Так, например, в [5] была показана возможность использования эффекта «затягивания частоты», синхронизации и срыва колебаний для коррекции движения глаз при нистагме.
Для исследования механизма влияния периодических световых воздействий на биообъекты, в частности, на живой организм, в качестве модели была взята автоколебательная химическая реакция Бриггса-Раушера (БР). Ранее уже были опубликованы работы по влиянию света на автоколебательные реакции. Авторы работы [4] исследовали эффект влияния непрерывного потока света на характер осцилляций среды реакции БР в реакторе с мешалкой, реакция находилась в трех различных состояниях: возбужденном устойчивом, бистабильном и в состоянии квазигармонических релаксационных колебаний. Были поставлены эксперименты с непрерывным освещением, с периодическим освещением различной частоты и длительности световых импульсов. Был описан эффект синхронизации колебаний реакции БР при частотах внешнего возбуждения, близких к частоте ее собственных колебаний. Авторы [6] предложили модель синхронизации реакции БР периодическими световыми импульсами. Предложенная в [7] модель была дополнена несколькими стадиями, включающими фотогенерирование и последующую реакцию атомов иода. Расчеты качественно согласовались со следующими экспериментально наблюдавшимися явлениями: изменение периода и амплитуды колебаний в зависимости от интенсивности постоянной освещенности; синхронизация между периодически изменяющимся освещением и периодом химических колебаний; фазовые сдвиги, индуцированные одиночными импульсами света, и темные стационарные состояния, которые возбуждаются одиночными импульсами света и становятся колебательными.
Нами были проведены эксперименты, выявляющие зависимость области синхронизации от мощности излучения. Для этого использовались светодиодные лампы, чтобы избежать нагрева раствора реакции. При мощности менее 20 Вт синхронизация колебаний не наблюдалась, наблюдалось лишь затягивание частоты.
Минимальная мощность лампы накаливания, при которой происходила синхронизация в относительно большом диапазоне частот, составляла 20 Вт (250 Лм). Эффект «затягивания» частоты наблюдался для диапазонов частоты внешнего воздействия 0,029; 0,033; 0,039; 0,125 и 0,143 Гц при световом потоке 250 Лм. Для той же лампы на частотах 0,04; 0,05; 0,07 и 0,10 Гц возникал эффект синхронизации, т. е. совпадение частоты света с частотой колебаний реакции БР. При этом для данных реактивов собственная частота осцилляций в контроле в среднем составляла 0,036 Гц. При мощности источника света более 300 Вт (3000 Лм) наблюдалось прекращение процесса синхронизации.
Исходя из полученных данных можно отметить, что при увеличении мощности излучения диапазон синхронизации сдвинулся в низкочастотную область, при этом его ширина изменялась сравнительно слабо. Так, при мощности 300 Вт (3000 Лм) синхронизация начиналась с 0,03 Гц и происходила примерно до 0,07 Гц. Следует также отметить, что включение света всегда инициировало желтую фазу реакции, а при выключении раствор становился синим, при этом, чем мощность излучения больше, тем с большей скоростью происходили изменения цвета. Следует отметить, что при мощности более 100 Вт окончание осцилляций характеризовалось переходом в синий цвет раствора. При более низкой мощности (20 Вт) такого не происходило: пока есть освещение, среда реакции – желтая. Желтый цвет раствора соответствует высокой концентрации иода I2, а синий – высокой концентрации ионов иода IЇ, который образует с крахмалом синий иодид-крахмальный комплекс. Следовательно, при включении свет влияет на те стадии реакции, в результате которых образуется данная форма иода, а при выключении освещения данные реакции прекращаются, и в силу вступают реакции с образованием ионов иода. Но при большой мощности освещения максимальная концентрация I2 достигается быстрее, запуская реакции перехода иода в другую форму IЇ.
При воздействии света лампы мощностью более 500 Вт происходило «выключение» реакции, возможно, из-за того, что скорости образования промежуточных веществ настолько велики, что происходил слишком высокий рост концентраций данных интермедиатов, при которых система выходила из состояния автоколебательного режима в стационарное состояние.
Таким образом, показана возможность существования в растворе с автоколебательной реакцией Бриггса-Раушера режимов затягивания частоты, синхронизации и «выключения» автоколебаний в результате периодического светового воздействия белым светом. Наблюдавшиеся закономерности могут представлять интерес при исследовании влияния световых воздействий на биообъекты.
Список использованной литературы:
1. ознание сложного. М., 1990. 360 c.
2. инергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М. : Мир, 1985. 424 с.
3. амоорганизация в неравновесных системах. М. :Мир, 1979. 515 с.
4. , Филд. Р. И др. Колебания и бегущие волны в химических системах: Пер. с англ. / Под ред. Р. Филда и М. Бургера. - М. : Мир, 1988. 720 с.
5. , , Методы исследования и коррекции движения глаз при нистагме. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2008. – 116 с.
6. Kumpinsky E., Epstein I. R., De Kepper P. Model study of synchronization and other phenomena in light perturbation of the Briggs–Rauscher reaction // International journal of chemical kinetics. – 1985. – Т. 17. – №. 3. – С. 345-354.
7. De Kepper P., Epstein I. R. Mechanistic study of oscillations and bistability in the Briggs-Rauscher reaction // Journal of the American Chemical Society. – 1982. – Т. 104. – №. 1. – С. 49-55
