Японским ученым удалось впервые показать прямую трансформацию химической энергии в механическую и добиться перемещения материального объекта при помощи так называемых химических волн, ранее не рассматривавшихся в качестве источников механического импульса. Это открытие может быть использовано в микро- и наноустройствах будущего для осуществления транспорта или для прецизионного контроля доставки лекарств к определенному участку организма.
Команда ученых, состоявшая из специалистов из Университетов Киото, Кинки и Нагои, проводила свои эксперименты с химическими автоколебательными реакциями, формирующими распространяющиеся волны в процессе перехода компонентов химического раствора из одного состояния в другое и обратно.
химическая реакция окисления легкобромирующихся органических соединений броматом, катализируемое ионами металла. Под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce3+, Mn2+ и комплексы Fe2+, Ru2+) и органическими восстановителями (малоновая кислота, броммалоновая кислота, лимонная кислота, яблочная кислота и др.). При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний.
Сообщение Белоусова об открытии было встречено в отечественных научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Поэтому опубликовать статью про колебательную реакцию он смог только спустя 8 лет в ведомственном сборнике, выходившем небольшим тиражом. Впоследствии эта статья стала одной из самых цитируемых в данной области.
Научная группа Жаботинского впоследствии провела подробные исследования реакции, включая её различные варианты, а также составила первую математическую модель, которая была способена демонстрировать колебательное поведение. В дальнейшем механизм был расширен и уточнён, экспериментально наблюдаемые динамические режимы, включая хаотические, были теоретически рассчитаны и показано их соответствие эксперименту. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов. До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций.
В 1969 Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов.
Реакция Белоусова-Жаботинского стала одной из самых известных в науке химических реакций, её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математики, химики, физики, биологи. Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки, как синергетика, теория динамических систем и детерминированного хаоса.
На рисунке - схематическое изображение механизма реакции.
Несмотря на то, что данный тип реакций при всей своей химической сложности и красоте до сих пор никогда не применялся в практических целях, он служит модельным при изучении многих природных реакций, фронт распространения которых в живых системах напоминает чередование черных и белых полос.
В течение долгого времени этот тип реакций рассматривался только как метод передачи информации химическим путем, однако оказалось, что его можно использовать и для переноса массы.
(цитратный цикл) — циклический биохимический аэробный процесс, центральная часть общего пути катаболизма, в ходе которого происходит окончательное биоразложение до CO2 двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты в живых организмах при распаде углеводов, жиров и белков. При этом освобождённый водород направляется в цепь тканевого дыхания, где в дальнейшем окисляется до воды, принимая непосредственное участие в синтезе универсального источника энергии — АТФ.
Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, а так же центр пересечения множества метаболических путей в организме. Так этот процесс играет не только важную энергетическую роль, но так же вовлечен в синтез молекул предшественников для будущего биологического синтеза аминокислот белков и жирных кислот, в которых нуждается организм.
Цикл превращения лимонной кислоты в живых клетках был открыт и изучен немецким биохимиком Гансом Кребсом, за эту свою работу он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1953 году (совместно с Францем Липманом).
Важно понимать, что распространение волны в реакциях Белоусова — Жаботинского происходит не под действием перемещающихся частиц и потоков жидкой среды, а в результате того, что реагенты в объеме жидкости локально переходят из основного состояния в возбужденное, а затем возвращаются в исходное. С точки зрения физики, именно это и есть настоящие волны. Очень иллюстративно сравнение этого процесса с волной, которую болельщики часто запускают на стадионах во время футбольных матчей — волна движется, несмотря на то, что все участники действа остаются на месте.
Кусочек же фильтровальной бумаги остается «на гребне» этой волны, потому что окисленное состояние реагентов смеси Белоусова — Жаботинского имеет большее поверхностное натяжение, чем восстановленное. Это натяжение затягивает бумажку в окисленную область и уже не отпускает обратно.
Так что при всей сложности автоколебательного химического процесса идея транспорта на основе таких реакций довольно проста, и вряд ли ей можно отказать в гениальности.
Основой эксперимента японских специалистов явилась смесь Белоусова — Жаботинского, находящаяся в спокойном состоянии. На её поверхность помещался кусочек фильтровальной бумаги, а вся система вместе с небольшим прямоугольным бассейном помещалась под слой масла. Колебания в системе возбуждались с помощью серебряного кабеля.
Красивейшая работа японских химиков вышла в свет в последнем номере Journal of Physical Chemistry, а по ниже приведённым ссылкам можно воочию увидеть, как одна волна захватывает и переносит груз, а встречная его останавливает в нужном месте.
Комментируя свой труд, руководитель работ, Кэнити Йосикава из университета Киото, отметил, что в данном случае удалось впервые напрямую трансформировать энергию химической реакции в энергию механического перемещения. Именно таким образом функционируют все живые системы, в то время как в наиболее распространенных преобразователях химической энергии в механическую — двигателях внутреннего сгорания — это превращение неизбежно проходит через стадию выделения тепловой энергии.
В настоящее время ученые трудятся над тем, чтобы научиться аналогичным образом перемещать грузы, более ценные и полезные, чем фильтровальная бумага, а также пытаются сконструировать более сложные системы микроканалов, заполненных реактивами Белоусова — Жаботинского, с целью осуществления более комплексных перемещений.
Сам Йосикава видит применение для своего транспортного метода и в медицинских приложениях. Например, подобная система микроканалов, заключенная в подкожный имплантат, может выплескивать наружу контейнеры с лекарствами через определенные временные интервалы, причем делать это полностью автономно, без привлечения энергии электричества.
