Pattern formation and self-organization in precipitation systems, design and control of patterns in the micro and nanoscales  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
68253
Type K
Principal investigator Mészáros, Róbert
Title in Hungarian Mintázatképződés, önszerveződés csapadékrendszerekben és a mintázatok tervezése és vezérlése mikro- és nanoskálán
Title in English Pattern formation and self-organization in precipitation systems, design and control of patterns in the micro and nanoscales
Keywords in Hungarian reakció-diffúzió rendszerek, csapadékmintázatok, mikro- és nanostruktúrák, Liesegang-jelenség
Keywords in English reaction-diffusion systems, precipitation pattern, micro and nanostructure, Liesegang phenomenon
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Meteorology (Eötvös Loránd University)
Participants Izsák, Ferenc
Lagzi, István László
Mészáros, Róbert
Volford, András
Starting date 2007-07-01
Closing date 2011-06-30
Funding (in million HUF) 7.714
FTE (full time equivalent) 3.54
state closed project
Summary in Hungarian
Csapadékrendszerekben (bizonyos feltételek teljesülése esetén) egyedülálló önszerveződés alakulhat ki a keletkezett csapadék rétegében. Ekkor spontán megjelenő spirálok és duplaspirálok figyelhetők meg, amelyeknek létezése gerjeszthető közeget sejtet. Ez a felismerés nagyon fontos lehet, hiszen eddig még csapadékrendszerben nem találtak gerjeszthető (aktív) közeget, ami előfeltétele a dinamikusan mozgó mintázatok kialakulásának. A pályázat ideje alatt szeretnénk tisztázni ennek az önszerveződésnek a mechanizmusát, továbbá modellt alkotni és numerikus kísérleteket végezni. Az elmúlt két évben egyre élénkebben foglalkoztatja a tudományos közvéleményt, hogyan lehet a reakció-diffúzió rendszereket mikro- és nanostruktúrák tervezésére felhasználni. A megvalósításnál nélkülözhetetlen a kialakítandó mintázat vezérlése. A pályázatunkban erre keresünk lehetséges, mikroskálán is működő, megoldásokat (pl. elektromos erőtér, pH mező, stb.). Vizsgálni szeretnénk kísérletileg és numerikus modellezéssel is az inverz csapadékmintázatokat. Numerikusan tanulmányozni szeretnénk a kialakuló csapadékmintázatok stabilitását, kezdeti- és peremfeltételektől való függését. Megkeressük az egyenletekhez tartozó Ljapunov-funkcionálokat és a hozzájuk tartozó nevezetes mennyiségek fizikai jelentését. A pályázat keretében szeretnénk a programjainkat továbbfejleszteni és alkalmassá tenni párhuzamos és GRID rendszereken történő futtatásra, alkalmazási területét kiszélesíteni, hatékonyságát növelni, és rutinszerűen alkalmazni modellszámításokban.
Summary
A unique self-organization can evolve in precipitation systems under some circumstances. One can observe spirals and double spirals which form spontaneously giving rise to the presence of an excitable medium. This observation is essential since dynamically changing patterns can arise only in some active media. In the framework of the proposal we would explore the mechanism of some self-organization phenomena and based on this we would construct a model and perform numerical simulations. In the last years more and more attention has been devoted to the application of reaction-diffusion systems for designing micro and macrostructures. There is a special emphasis on the control of the pattern evolved. In course of this proposal we try to develop the basis of these techniques as control by an electric field or by a pH field. We will investigate the formed patterns both experimentally and numerically. The aim of the numerical investigations is to determine the stability of the patterns and their dependence on the initial and boundary conditions. In the framework of the proposal we will develop the codes of the simulations in the sense that we enhance their efficiency broad the applicability and make them feasible to run them in parallel and GRID environment.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projektben a csapadékmintázatok képződését vizsgáltuk. Mintázatképződés változatos térbeli skálán mehet végbe és a mintázatképződés dinamikájának megértésre nagyon fontos, mert ezekkel az ismeretekkel különleges és különféle tulajdonságú anyagot lehet tervezni az anyagtudományokban. Több technikát fejlesztettünk ki a csapadékmintázatok tervezésére és vezérlésére reakció-diffúzió rendszerekben. A kifejlesztett módszerek a következők: (i) a mintázat vezérlése előre programozott elektromos árammal; (ii) a mintázat kontrollja oldhatósági szorzat változtatásával; (iii) a mintázat kontrollja a gél struktúrájának változtatásával; (iv) a mintázat kontrollja mozgó kémiai frontban; a mintázatok vezérlése pH mező segítségével. Ezenfelül, egy új párhuzamosítási platformot fejlesztettünk ki videokártyák használatával CUDA környezetben. Ez az új technika hasznos lehet számos tudományos probléma numerikus megoldásának gyorsításában.
Results in English
During this project important aspects of the pattern formation in precipitation systems were investigated. Spontaneous pattern formation can be observed at all length scales and much effort has been devoted to gaining insight into the dynamics of theses processes because of design of special materials. We proposed and developed several techniques to control precipitation patterns in reaction-diffusion systems. The developed methods are following: (i) pattern control using predesigned electric currents; (ii) pattern control varying the precipitation threshold (solubility product); (iii) pattern control varying the gel structure; (iv) pattern control in a moving reaction front; (v) pattern control by pH field. Moreover, a new parallel computational framework has also been developed using video card with CUDA for simulation reaction-diffusion processes. This new approach can be useful to accelerate numerical simulations of the scientific problems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=68253
Decision
Yes





 

List of publications

  
S. K. Smoukov, I. Lagzi and B. A. Grzybowski: Independence of primary and secondary structures in periodic precipitation patterns, J. Phys. Chem. Lett., 2, 345-349, 2011
F. Molnár, L. Roszol, A. Volford and I. Lagzi: Control of precipitation patterns in two-dimensions by pH field, Chem. Phys. Lett., 503, 231-234, 2011
I. Lagzi, B. Kowalczyk, D. Wang and B. A. Grzybowski: Nanoparticle oscillations and fronts, Angew. Chem. Int. Ed., 49, 8616-8619, 2010
I. Lagzi, D. Wang, B. Kowalczyk and B. A. Grzybowski: Vesicle-to-Micelle oscillations and spatial patterns, Langmuir, 26, 13770-13772, 2010
I. Lagzi, B. Kowalczyk and B. A. Grzybowski: Liesegang rings engineered from charged nanoparticles, J. Am. Chem. Soc., 132, 58-60, 2010
F. Molnár, F. Izsák, R. Mészáros and I. Lagzi: Simulation of reaction-diffusion processes in three dimensions using CUDA, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 108, 76–85, 2011
S. Thomas, G. Varghese and I. Lagzi: The width of Liesegang Bands: a study using moving boundary model and simulation, Pramana Journal of Physics (in press), 2011
P. A. Zegeling, I. Lagzi and F. Izsák: Transition of Liesegang Precipitation Systems: Simulations with an Adaptive Grid PDE Method, Commun. Comput. Phys., 10, 867-881, 2011
I. Lagzi (Editor): Precipitation Patterns in Reaction-Diffusion Systems, Research Signpost; ISBN 978-81-308-0420-0, 2010
F. Izsák and I. Lagzi: Models of Liesegang pattern formation, 'Precipitation Patterns in Reaction-Diffusion Systems', I. Lagzi (ed), ISBN 978-81-308-0420-0, 2010
Leelőssy, Á., Mészáros, R., and Lagzi. I.: Short and long term dispersion patterns of radionuclides in the atmosphere around the Fukushima Nuclear Power Plant., Journal of Environmental Radioactivity (doi:10.1016/j.jenvrad.2011.07.010), 2011
Mészáros, R., Leelőssy, Á., Vincze, Cs., Szűcs, M., Kovács, T. and Lagzi. I.: Estimation of the dispersion of an accidental release of radionuclides and toxic materials based on weather type classification, Theoretical and Applied Climatology (DOI: 10.1007/s00704-011-0482-0), 2011
Kolozsi-Komjáthy, E., Mészáros, R. and Lagzi, I.: Effects of the climate change on regional ozone dry deposition., Advances in Science and Research., 6, 103–107. (DOI:10.5194/asr-6-103-2011), 2011
J.J.W. van der Vegt, F. Izsák, and O. Bokhove: Error Analysis of a Continuous-Discontinuous Galerkin Finite Element Method for Generalized 2D Vorticity Dynamics, SIAM J. Numer. Anal. Vol. 45(4), pp. 1349-1369, 2007
F. Izsák, D. Harutyunyan, J.J.W. van der Vegt: Implicit a posteriori error estimates for the Maxwell equations, Math. Comp. 77(263), 1355-1386, 2008
D. Harutyunyan, F. Izsák, J.J. W. van der Vegt, M.A. Botchev: Adaptive finite element techniques for the Maxwell equations using implicit a posteriori error estimates, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 197(17-18), 1620-1638, 2008
F. Molnár jr., F. Izsák, I. Lagzi: Design of equidistant and revert type precipitation patterns in reaction-diffusion systems, Phys. Chem. Chem. Phys., 10, 2368-2373, 2008
I. Bena, M. Droz, I. Lagzi, K. Martens, Z. Rácz, A. Volford: Designed patterns: flexible control of precipitation through electric currents, Phys. Rev. Lett., 101, 075701, 2008
K. Rácz, M. Burger, I. Lagzi and Zs. Ungvarai-Nagy: Oxidation of a water-soluble porphyrin complex by bromate, React. Kinet. Catal. L., 95, 135-142, 2008
R. Mészáros, I. Gy. Zsély, D. Szinyei, Cs. Vincze, I. Lagzi: Sensitivity analysis of an ozone deposition model, Atmos. Environ., 43, 663-672, 2009
R. Mészáros, D. Szinyei, Cs. Vincze, I. Lagzi, T. Turányi, L. Haszpra, A. S. Tomlin: Effect of the soil wetness state on the stomatal ozone fluxes over Hungary, Int. J. Environment and Pollution, 36, 180-194, 2009
I. Lagzi, A. S. Tomlin, T. Turányi, L. Haszpra: Modelling photochemical air pollutant formation in Hungary using an adaptive grid technique, Int. J. Environment and Pollution, 36, 44-58, 2009
I. Lagzi, D. Ueyama: Pattern transition between periodic Liesegang pattern and crystal growth regime in reaction-diffusion systems, Chem. Phys. Lett., 468, 188-192, 2009
R. Mészáros, I. Lagzi, Z. Ferenczi, R. Steib, G. Kristóf: Skálafüggő légszennyezettség előrejelzések, 33. Meteorológiai Tudományos Napok kiadványötete (in press), 2009
R. Mészáros, I. Lagzi, D. Szinyei, Cs. Vincze, I. Gy. Zsély: Uncertainties of input parameters of an ozone deposition model, Abstract Book of 8th Annual Meeting of the European Meteorological Society and 7th ECAC, Amsterdam, EMS2008-A-00554, 2009
Cs. Czender, E. Komjáthy, R. Mészáros, I. Lagzi: Spatial and temporal variability of ozone deposition, Abstract Book of 8th Annual Meeting of the European Meteorological Society and 7th ECAC, Amsterdam, EMS2008-A-00578, 2008, 2009
I. Lagzi, R. Mészáros, F. Molnár, T. Szakály, M. Szűcs, T. Kovács, Á. Nényei: Parallelization and application of an Eulerian and Lagrangian models at the Paks Nuclear Power Plant, Abstract Book of 8th Annual Meeting of the European Meteorological Society and 7th ECAC, Amsterdam, EMS2008-A-00556, 2008, 2009
Cs. Czender, E. Komjáthy, R. Mészáros, I. Lagzi.: Spatial and temporal variability of ozone deposition., Advances in Science and Research, 3. 5–7., 2009
J. Burkhardt, C. R. Flechard, F. Gresens, M. Mattsson, P. A. C. Jongejan, J. W. Erisman, T. Weidinger, R. Meszaros, E. Nemitz, M. A. Sutton: Modelling the dynamic chemical interactions of atmospheric ammonia with leaf surface wetness in a managed grassland canopy, Biogeosciences, 6, 67-83, 2009, 2009
M. A. Sutton, E. Nemitz, C. Milford, C. Campbell, J. W. Erisman, A. Hensen, P. Cellier, M. David, B. Loubet, E. Personne, J. K. Schjoerring, M. Mattsson, J. R. Dorsey, M. W. Gallagher, [...]: Dynamics of ammonia exchange with cut grassland: synthesis of results and conclusions of the GRAMINAE Integrated Experiment, Biogeosciences Discuss., 6, 1121-1184, 2009
R. Mészáros, L. Horváth, T. Weidinger, A. Neftel, E. Nemitz, U. Dämmgen, P. Cellier, B. Loubet: Measurement and modelling ozone fluxes over a cut and fertilized grassland, Biogeosciences Discuss., 6, 1069-1089, 2009
E. Nemitz, K. J. Hargreaves, A. Neftel, B. Loubet, P. Cellier, J. R. Dorsey, M. Flynn, A. Hensen, T. Weidinger, R. Meszaros, L. Horvath, U. Dämmgen, C. Frühauf, F. J. Löpmeier, M. W. Gallagher, [...]: Intercomparison and assessment of turbulent and physiological exchange parameters of grassland, Biogeosciences Discuss., 6, 241-290, 2009
I. Lagzi, T. Turányi, R. Lovas: Development of a Grid enabled chemistry application, Int. J. Comp. Sci. Eng. 4, 195-203, 2009, 2009
A. Volford, I. Lagzi, F. Molnár jr., Z. Rácz: Coarsening of precipitation patterns in a moving reaction-diffusion front, Phys. Rev. E, 80, 055102(R), 2009
F. Molnár jr., T. Szakály, R. Mészáros and I. Lagzi: Air pollution modelling using a Graphics Processing Unit with CUDA, Comput. Phys. Commun., 181, 105-112, 2010
R. Mészaros, Cs. Vincze, I. Lagzi: Simulation of accidental release using a coupled transport (TREX) and numerical weather prediction (ALADIN) model,, Időjárás, 114, 101-120, 2010




 

Events of the project

  
2008-11-03 16:12:12
Vezető kutató váltás
Régi vezető kutató: Lagzi István László
Új vezető kutató: Mészáros Róbert

A vezető kutató váltás indoka: Az Egyesült Államokban folytatja tudományos munkáját.



Back »