دینامیک جمعی نوسانگرهای شیمیایی

واکنش بلوسوف-ژابوتینسکی (BZ) یک واکنش شیمیایی است که تغییرات دوره ای و الگوهای پیچیده ای را نشان می دهد. غلظت چندین واکنش دهنده به طور متناوب در طول واکنش تغییر می کند، بنابراین واکنش BZ به طور گسترده به عنوان یکی از واکنش های نوسانی شناخته می شود. هنگامی که محلول واکنش BZ به خوبی هم زده می شود، رفتار دوره ای را می توان به عنوان تغییر رنگ محلول مشاهده کرد. در یک لایه نازک، انتشار موج شیمیایی قابل مشاهده است. اینها مطمئناً ساختارهای پراکنده هستند که در سیستم زندگی مانند ریتم قلبی و الگوهای پوشش حیوانات دیده می شود. به دلیل شباهت به سیستم زنده، واکنش BZ نه تنها در شیمی بلکه در زیست شناسی، فیزیک و ریاضیات نیز به طور گسترده مورد مطالعه قرار می گیرد.

نوسانگرهای BZ

ما سیستم واکنش گسسته BZ را با استفاده از تکنیک‌های فوتولیتوگرافی ساختیم. این روش امکان ساخت راکتور را با واحدهای دوبعدی و میکرو سایز فراهم می‌کرد. راکتور از مواد الاستومتری پلی (دی متیل سیلوکسان) (PDMS) ساخته شده است. کاتالیزور واکنش BZ، Ru(bpy)32+، در ماتریس های سیلیکاژل تثبیت شد. ما به یک عنصر میکروژل دوپ شده با کاتالیزور در واحد راکتور به عنوان یک نوسانگر نگاه می کنیم. راکتور در محفظه ای قرار داده شد که به طور مداوم با محلول BZ بدون کاتالیزور تازه تغذیه می شد تا شرایط غیرتعادلی ثابت را حفظ کند. در این سیستم، جفت شدن بین نوسانگرها از طریق انتشار جرم انجام می شود. در فیلم زیر، همه نوسانگرها به دلیل اتصال ضعیف مانند نوسانگرهای مستقل رفتار می کنند.

رزونانس انسجام آرایه افزایش یافته

اثرات غیرمعمول نویز در سیستم های غیرخطی اخیرا توجه زیادی را به خود جلب کرده است. یکی از جالب ترین اثرات تشدید تصادفی است که به عنوان افزایش پاسخ سیستم به سیگنال ورودی دوره ای ضعیف به دلیل شدت نویز متوسط مشخص می شود. حتی در سیستم بدون فشار دوره‌ای خارجی، انسجام پاسخ‌های سیستم برای شدت نویز بهینه افزایش می‌یابد که رزونانس همدوسی (CR) نامیده می‌شود. پدیده CR به طور تجربی در سیستم های مختلف تایید شده است.

ما به صورت تجربی و عددی نشان دادیم که در یک آرایه دو بعدی از نوسان سازهای BZ که در معرض سر و صدای خارجی مستقل قرار دارند ، انسجام پاسخ های سیستم با افزایش اندازه آرایه ، یعنی وقوع رزونانس انسجام با آرایه (AECR) بهبود می یابد. این نتیجه نشان می دهد که تعامل بین نویز و تعامل بین نوسان سازها برای رزونانس تقویت شده با سر و صدا بسیار مهم است. با این حال ، اثرات افزایش یافته آرایه برای افزایش بیشتر تعداد نوسان سازهای فراتر از 100 ، اشباع شده است.

پویایی کنترل شده بازخورد

هنگامی که بسیاری از عناصر قادر به نوسانات خودمختار همراه هستند ، تعامل تعاونی بین آنها رفتارهای پویایی جمعی پیچیده اما مرتب شده را به عنوان جلوه های اساسی سازماندهی خود نشان می دهد. مهمترین این الگوهای هماهنگ سازی و خوشه بندی است که اغلب در سیستم های فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی مشاهده می شود. در القاء این رفتارها ، یک طرح اتصال بین نوسان سازها ضروری است. تکنیک های بازخورد به هر نوسان ساز اجازه می دهد تا با هر نوسان ساز دیگر در آرایه ارتباط برقرار کند. این روشهای احتمالی را برای طراحی تعامل مورد نظر بین نوسان ساز ارائه می دهد.

به منظور بررسی تأثیر طرح های مختلف اتصال ، ما یک کنترل بازخورد را به مجموعه ای از نوسانگرهای BZ معرفی کردیم. بازخورد با نظارت بر واکنش نوسان سازها ، پردازش تصویر آن توسط رایانه و روشن کردن سیگنال در آرایه نوسان ساز حاصل شد.

اول ، ما تأثیر بازخورد تأخیر در زمان بر پویایی مکانی در یک آرایه نوسان ساز در سطح جهانی را بررسی کردیم. ما دریافتیم که ، هنگامی که زمان تأخیر بهینه است ، همگام سازی فاز در افزایش بازخورد بیش از یک مقدار آستانه القا می شود. ما نشان دادیم که انسجام مکانی و مکانی نوسانات می تواند به طور موثری با پارامترهای مختلف بازخورد مانند زمان تأخیر و افزایش کنترل شود.

تأثیر اتصال سازگار بر پویایی مکانی نیز مورد بررسی قرار گرفت. اتصال سازگار توسط نیروی بازخورد حاصل می شود که بسته به مرحله نسبی بین نوسان سازها تغییر می کند. ما دریافتیم که بسته به شکل عملکرد سازگاری ، سیستم همگام سازی دو یا سه خوشه ای انجام می دهد. در نتایج توضیح داده شده در بالا ، همگام سازی جهانی در زمان تأخیر مناسب مشاهده شد ، اما تشکیل خوشه ای نیست. بنابراین ، اتصال سازگار برای تشکیل خوشه در سیستم گسسته ضروری است.

مباحث تحقیق دینامیک جمعی از نوسان سازهای شیمیایی تغییر شکل پروتئین پروتئین وزیکول غول پیکر یکپار