"Különleges" időben és térben periodikus kémiai rendszerek előállítása
Title in English
Design of "special" periodic chemical systems
Keywords in Hungarian
oszcilláló kémiai reakciók, mintázatképződés
Keywords in English
oscillatory chemical reactions, pattern formation
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Csörgeiné Kurin, Krisztina Dénesné Rácz, Krisztina Szalai, István Ungvárainé dr. Nagy, Zsuzsanna
Starting date
2007-07-01
Closing date
2012-06-30
Funding (in million HUF)
10.501
FTE (full time equivalent)
2.15
state
closed project
Summary in Hungarian
Az időben és térben periodikus kémiai rendszerek témakörében 1972 óta végzett kutatásaink fő célja a kémiájukban eltérő, „egzotikus viselkedést” mutató új rendszerek, elsősorban oszcilláló kémiai reakciók és mozgó kémiai hullámok előállítása. A ma ismert oszcilláló kémiai reakciók (9 oszcillátor család kb. 150 variánsa) több mint fele munkánk eredménye. Oszcillátoraink közül az UBO rendszerek, a ClO2– – I– – MA, BrO3– – CHD – indikátor és a BrO3– – H2PO2– – Ac – Ru(II) reakciók bizonyultak alkalmasnak mozgó kémiai hullámok létrehozására. Megkíséreltük a periodikus jelenségek mechanisztikus leírását és szimulációját is. Új oszcilláló kémiai reakciók és 2-dimenziós mintázatok előállítását, ezek mechanisztikus értelmezését a jövőben is alapvető feladatunknak tekintjük. A témakörben szerzett széles körű tapasztalatainkat felhasználva, a következő években a nemlineáris kémiai dinamika néhány olyan problémájának tanulmányozását is tervezzük, amelyek megoldására korábban nem volt, de ma van igény és lehetőség is. Olyan periodikus kémiai rendszerek előállítását tűztük ki célul, amelyek valamilyen szempontból különlegesek: pl. azért, mert eddig a rendszer előállítását nem tartották lehetségesnek, vagy mert az előállítandó rendszer valamilyen gyakorlati alkalmazás lehetőségét kínálja, vagy a kémiai periodicitás újszerű megjelenítését teszi lehetővé, vagy pedig az első sav-bázis típusú reakciókon alapuló kémiai oszcillátor létrehozását jelentené. A kitűzött célok elérése érdekében az alábbi feladatok megoldását tervezzük: (1) Molekulák (pl. aminosavak) koncentráció oszcillációjának megvalósítása; (2) Zárt rendszerű pH oszcillátor előállítása; (3) Lumineszkáló 2-dimenziós kémiai hullámok és oszcilláló rendszerek előállítása; (4) Formaldehid–biszulfit reakcióban oszcillációk előállítása. A különleges oszcilláló kémiai reakciók előállítása mellett szerves kémiai reakciókon alapuló és nem vizes közegű oszcillátorok tervezését is megkíséreljük, továbbá foglalkozunk az oszcilláló kémiai rendszerek analitikai alkalmazásának lehetőségeivel és problémáival.
Summary
Our research team has been doing research on chemical systems that are periodic in time and space since 1972. The main objectives of our work were to produce new type of oscillatory chemical reactions and travelling chemical waves. More than half of the known oscillating reactions (about 150 variants of 9 oscillatory families) is our contribution. Among our systems the UBO oscillators, the ClO2– – I– –MA, the BrO3– –CHD–indicator and the BrO3– –H2PO2– –Ac–Ru(II) reactions were proven to be suitable of forming 2-dimensional chemical patterns. The search for new oscillatory systems and patterns remains of prime importance in our future plans. Utilizing our rich experiences gained in the design of new chemical oscillators, we focus on solving some recent challenges of nonlinear chemical dynamics. The main objective of our planned research is to give rise to temporal or spatial periodic behaviour in systems which are special from certain point of views, for example, the design of such systems was thought earlier to be impossible, or the system to be produced offers practical application, or a new possibility for visualizing the chemical periodicity in space is used, or the system, if were produced, would represent the first chemical oscillator what is based purely on acid-base type reactions. In order to reach our goals we plan: (1) To design oscillators in which the concentration of molecules, like amino acids, oscillates; (2) To make batch pH oscillators; (3) To produce systems that show periodic luminescence in time and space; (4) To search the possibility of chemical oscillations in the formaldehyde–sulfite reaction. In addition to produce special oscillatory reactions, efforts will be made to design oscillators in which organic reactions and non-aqueous solvents participate. The new possibilities in the analytical applications of the oscillatory chemical reactions will also be studied.
Final report
Results in Hungarian
Pályázatunk munkatervében szereplő összes résztémában elvégeztük az eredetileg tervezett, új nemlineáris kémiai rendszerek és jelenségek előállítását célzó kísérleti munkát. Kutatómunkánk legfontosabb eredményének tekintjük olyan kísérleti módszerek kidolgozását, amelyek alkalmazásával sok újszerű nem-lineáris kémiai dinamikán alapuló jelenséget és rendszert állítottunk elő: (1) Módszert fejlesztettünk ki zárt rendszerben működő pH-oszcillátorok létrehozására. Alkalmazásával 3 CSTR pH-oszcillátort zárt rendszerűvé alakítottunk, ezekben nagy-amplitúdójú pH-oszcilláció több órán át fennmarad. A zárt-rendszerű pH-oszcillátorok jelentősen kiszélesítik az oszcilláló kémiai reakciók gyakorlati és tudományos szintű felhasználhatóságát. (2) pH-oszcillátor és pH-érzékeny−a céliont magába foglaló−kémiai egyensúlyok összekapcsolásával megvalósítottuk nem-redox tulajdonságú kationok és anionok (Ca2+, Cd2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, F-, (COO)22-) koncentrációjának indukált oszcillációját és meghatároztuk az oszcillációs ciklus alatt a rendszerben periodikusan fellépő species eloszlásokat. (3) Módszert javasoltunk dinamikus és stacionárius kémiai struktúrák tervezés útján történő előállítására. Alkalmazása számos új periodikus mintázat (céltábla-szerű mozgó- és állóhullámok, hexagon-elrendezésű pontokból álló szerkezet, labirintus jellegű struktúra, Turing-mintázat) létrehozását eredményezte. Eredményeink a természetben előforduló önszerveződések mechanizmusának pontosabb megértését segítik.
Results in English
All experiments laid down in the Workplan of our OTKA project aimed at finding and studying new nonlinear chemical systems and phenomena have fully been accomplished. The most important results of our research work were the development of experimental methods that allowed us to produce novel temporal and spatial periodic chemical systems. (1) Method was proposed and used to convert three CSTR pH-oscillators into long-lasting and large amplitude batch-like pH-oscillators. The closed versions offer greater promise to use in practical applications. (2) Periodic pulses in the concentration of many non-redox cations and anions were generated by coupling pH-oscillators to pH-sensitive precipitation and complex-formation equilibria. The species distribution that prevails in the coupled system was also determined. (3) Systematic design method was worked out for developing novel chemical patterns in a one-side-fed-reactor. Using this approach stationary hexagonal array of spots, stripe and labyrinth patterns, coexistence of spots and stripes, Turing structures, etc. were observed. The works done and the results achieved are characterised as basic research, which hopefully contribute to understanding the more complex self-organizations that occur is material systems in nature.
Horváth, J.; Szalai, I.; De Kepper, P.: An Experimental Design Method Leading to Chemical Turing Patterns, Science; 324 772, 2009
Poros E; Horvath V; Kurin-Csorgei K; Orban M: Generation of pH-Oscillations in Closed Chemical Systems, J. Am. Chem. Soc. 133; 7174-7179, 2011
Horváth V; Kurin-Csörgei K; Epstein IR; Orbán M: Oscillatory Concentration Pulses of Some Divalent Metal Ions Induced by a Redox Oscillator, Phys. Chem.Chem. Phys. 12; 1248-1252,, 2010
De Kepper P; Szalai I: An effective designed method to produce stationary chemical reaction-diffusion patterns, Comm. Pure and Appl. Anal., 11;189-207, 2012
Szalai I; Kurin-Csörgei K; Orbán M: Modelling pH-oscillators is open, semibatch and batch reactors, Reac. Kinet. Mech. Cat., 106;257-266, 2012
Orbán M.: Molekulák önszerveződése időben és térben: Periodikus kémiai rendszerek, Magyar Tudomány, 7; 815-820, 2009
Horváth V; Kurin-Csörgei K; Epstein IR; Orbán M: Oscillations in the Concentration of Fluoride Ions Induced by a pH-Oscillator, J. Phys. Chem. A 112; 4271-4276, 2008
Szalai I; De Kepper P: Patterns of the Ferrocyanide-Iodate-Sulfite Reaction Revisited: The Role of Immobilized Carboxylic Functions, J. Phys. Chem. A 112; 783-786, 2008
Szalai I; De Kepper P: Pattern Formation in the Ferrocyanide-Iodate-Sulfite Reaction: the Control of Space Scale Separation, Chaos 18; 026105, 2008
Rácz K; Burger M; Lagzi I; Ungvárai-Nagy Zs: Oxidation of a Water-soluble Porphyrin Complex by Bromate, React. Kinet. Catal. Letters 95; 135-142, 2008
Horváth, J.; Szalai, I.; De Kepper, P.: Pattern formation in the Thiourea-Iodate-Sulfite system: spatial bistability, waves, and stationary patterns, Physica D 239(11); 776-784, 2010
Kurin-Csörgei K.; Horváth V.; Orbán M.: Chemical Origin of the Sustained-like Pattern Formation Observed in the Bromate - Dual Substrate - Dual Catalyst Oscillatory Batch System, React. Kinet. Catal. Letters 90, 405-411, 2007
Takacs N; Horvath J; Szalai I: Spatiotemporal Dynamics of Mixed Landolt Systems in Open Gel Reactors: Effect of Diffusive Feed, J. Phys. Chem. A 114; 7063-7069, 2010
Rácz K; Burger M; Ungvárai-Nagy Zs: Comparison of the oxidation of two porphyrin complexes by bromate with respect to wave propagation, Physica D 239(11); 752-756, 2009
