Автокаталитическая химия потока

Jun 18, 2023

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9211 (2023) Цитировать эту статью

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Автокатализ — важнейший процесс неравновесной самоорганизации в природе, который, как предполагается, играет роль в возникновении жизни. Основными динамическими явлениями автокаталитической реакционной сети являются бистабильность и развитие распространяющегося фронта в сочетании с диффузией. Наличие объемного движения жидкости может расширить диапазон нового поведения в этих системах. Многие аспекты динамики автокаталитических реакций в непрерывном потоке уже изучены, особенно форма и динамика химического фронта, влияние химических реакций на гидродинамические неустойчивости. Целью данной статьи является предоставление экспериментальных доказательств бистабильности и связанных с ней динамических явлений, таких как возбудимость и колебания в автокаталитических реакциях, происходящих в трубчатом проточном реакторе, где поток является ламинарным, а адвекция является доминирующим процессом переноса. Мы показываем, что линейное изменение времени пребывания может привести к одновременному появлению различных динамических состояний по длине трубы. Таким образом, длинные трубчатые реакторы предоставляют уникальную возможность быстро исследовать динамику реакционных сетей. Эти результаты расширяют наше понимание химии нелинейных потоков и ее роли в формировании естественных структур.

Автокатализ возникает в реакциях малых молекул, макромолекул и на супрамолекулярном уровне1,2 и лежит в основе химии жизни3. Репликация и экспоненциальный рост, вызванные автокаталитическими сетями, являются важными естественными процессами самоорганизации от молекулярного до популяционного уровня. Универсальные характеристики автокаталитических процессов неразрывно связывают эти отдаленные области. Помимо временной динамики, когда транспортные процессы сочетаются с автокаталитическими сетями, могут появиться убедительные пространственно-временные закономерности. Как диффузия, процесс транспортировки на молекулярном уровне, так и объемное движение жидкости, адвекция могут играть конструктивную роль в развитии этих явлений. Паттерны Тьюринга являются показательным примером, когда автокатализ в сочетании с отрицательной обратной связью и дифференциальной диффузией создает самоорганизующиеся паттерны4.

Соответствующие свойства pH-автокаталитических сетей: сигмоидальная кривая зависимости pH от времени в партии (a), бистабильность в CSTR (b) и растянутый фронт в неблагоприятном ламинарном потоке (c). Эскиз проточного реактора с диаметром трубы 1 мм, использованного в экспериментах (г).

Бистабильность в проточном реакторе в хлорит-тетратионатной реакции (а). Темный цвет соответствует высокому, а светлый — низкому pH. Пространственно-временной график представляет пространственно-временную динамику в середине реактора (б). Репрезентативная локальная динамика показана в середине каналов 1 и 20 (в). За стабильностью потока следят на входе смесительного узла, где пик обозначает обратный поток (г). Схема устойчивости состояний (F и T) вдоль трубки (д). Условия эксперимента: \([\hbox {ClO}_{2}^-]_0\) = 19 мМ, \([\hbox {S}_{4}\hbox {O}_{6}^{2- }]_0\) = 5 мМ, \(\left[ {{\text{H}}_{2} {\text{SO}}_{4} } \right]_{0}\) = 0,6 мМ , \(v_0\) = 96 мл/ч, u= 3,4 см/с, T= 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).

Возбудимость в проточном реакторе в бромат-сульфитной реакции (а). Темный цвет соответствует высокому, а светлый — низкому pH. Пространственно-временной график представляет пространственно-временную динамику в середине реактора (б). Репрезентативная локальная динамика показана в середине каналов 1, 3 и 22 (в). За стабильностью потока следят на входе смесительного узла, где пик обозначает обратный поток (г). Репрезентативные профили двух разных фронтов (e). Условия эксперимента: \([\hbox {BrO}_{3}^{-}]_0\) = 30 мМ, \([\hbox {SO}_{3}^{2-}]_0\) = 60 мМ, \([\hbox {H}_{2}\hbox {SO}_{4}]_0\) = 5 мМ, \(v_0\) = 40 мл/ч, u= 1,4 см/с, Т = 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).