Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Fizikai kémia
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
projekt kezdete
2009-04-01
projekt vége
2013-03-31
aktuális összeg (MFt)
6.999
FTE (kutatóév egyenérték)
2.19
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
Nemegyensúlyi rendszerekben térben és időben rendezett struktúrák spontán módon alakulhatnak ki, a rendszer elemei között fellépő nemlineáris, kooperatív kölcsönhatások eredményeként. A kémiai reakció-diffúzió mintázatok tanulmányozása a nemlineáris dinamikai kutatások egyik fontos területe. Az utóbbi évtizedekben számos dinamikai jelenséget figyeltek meg és írtak le részletesen, többek között kémiai hullámokat gerjeszthető közegekben, stacionárius (Turing) mintázatokat és kemomechanikai instabilitásokat. Annak ellenére hogy, tucatnyi reakciócsaládot (azon belül számos variánst) ismerünk, melyek potenciálisan alkalmasak lennének ilyen jelenségek előállítására, idáig csak korlátozott számú, kémiailag különböző reakcióban sikerült ezt megvalósítani. Feltételezésünk szerint megfelelő kísérleti körülmények között a legtöbb jól kevert reaktorban bistabilitást, illetve oszcillációt mutató reakció alkalmas lehet térbeli mintázatok előállítására. A tervezett kutatómunka célja térbeli mintázatok és alakdeformációk előállítása és szabályozása nemlineáris kémiai rendszerekben. Első lépésben reakció-diffúzió instabilitásokat keresünk új kémiai reakcióban, majd ezeket felhasználjuk autonóm, lágy kemomechanikai rendszerek létrehozására. A lágy kemomechanikai rendszerek, amelyek a kémiai energiát mechanikai munkává alakítják, alapvető szerepet játszanak az élő rendszerekben is (pl. izomműködés, sejtosztódás). A kémiai környezet megváltozására jelentős térfogatváltozással reagáló, kemoreszponzív géleket autokatalitikus reakciókkal kapcsolva új típusú disszipatív struktúrákat tervezünk létrehozni. Az elméleti érdekességük mellet ezeknek a rendszereknek a tanulmányozása a biológiai önszerveződés megértéséhez is hozzájárulhatnak.
angol összefoglaló
Far from thermodynamic equilibrium, temporal or spatial structures can spontaneously emerge in systems involving nonlinear cooperative processes. Chemical "dissipative structures" are one of the main topics of the nonlinear science. A large variety of spatio-temporal behaviors like excitability waves, standing Turing and front patterns and chemomechanical structures have been observed in the past decades. These patterning instabilities have been demonstrated in only a handful of reactions, however tens of reaction families counting hundreds of variants are known to produce temporal self-organisations (e.g. bistability and oscillations). We anticipate, that most of these reactions can be used to develop spatio-temporal patterns under proper conditions (e.g. in appropriately designed open-spatial-reactors). The main goal of the research work is to design and control of pattern and shape formation in nonlinear chemical systems. We shall study kinetic or diffusion-driven instabilities in bistable/oscillatory reactions. Beyond that, we shall use of these reaction-diffusion systems to design autonomous soft chemomechanical systems (e.g by coupling a pH-autoactivated reactions with a polyelectrolyte gel). Soft chemomechanical systems, which transform chemical energy to mechanical work, are ubiquitous in living systems, they play a key role in muscular contraction, cell division, cellular traffic etc. The cross-coupling of the size change of the gel with the autoactivated reactions that produces spatial bistability uncovers new sources of dissipative structures. Beside more theoretical considerations, the latter research may lead to results of potential relevance in the biological self-organization.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A kémiai önszerveződés egyik érdekes megjelenési formája a reakció-diffúzió rendszerekben kialakuló időben és térben periodikus koncentráció eloszlások, azaz a kémiai mintázatok kialakulása. A kutatási program céljának megfelelően sikerült: (a) új kémiai rendszerekben mozgó és stacionárius kémiai mintázatokat előállítanunk, (b) hidrogénion autokatalitikus reakciók és kemoreszponzív hidrogélek kapcsolásával autonóm kemomechanikai rendszereket kialakítani. Ez utóbbiakban a kémiai energia mechanikai munkavégzéssé alakul át a gél duzzadása illetve összehúzódása során. A kísérleti eredmények értelmezéshez megkezdtük a vizsgált rendszerek modellezését. Ehhez javaslatot tettünk egy új közelítő módszerre, amely lehetővé teszi a megfigyelt pszeudo-kétdimenziós mintázatok kevéssé számításigényes numerikus szimulációját. A pályázat támogatásával végzett kutatómunka eredményeit 10 cikk, 6 előadás és 4 poszter formájában mutattuk be. A szélesebb közönség számára kísérleti bemutatóval kísért előadásokat tartottunk, illetve ismeretterjesztő cikkeket jelentettünk meg a kutatómunka eredményeiről.
kutatási eredmények (angolul)
One of the most fascinating form of chemical self-organization is the formation
of time-space periodic concentration fields, chemical patterns. According to the aim of the research project we have produced patterns in new chemical reactions and autonom chemomechanical systems by coupling proton autocatalytic reactions and chemoresponsive hydrogels. The latter system is capable to transfrom the chemical energy into mechanical work. We have also started to perform numerical simulations related to the investigated experimental systems. In order to reduce the computational effort we have suggested a new approximate method for the simulation of the pseudo two dimensional patterns. The results of the project have been published by 10 papers, 6 oral lectures and 4 posters. The knowledge from the projects was disseminated by lectures and publications for broad audience.
döntés eredménye
igen
Közleményjegyzék
P. De Kepper, J. Boissonade,I. Szalai: From Sustained Oscillations to Stationary Reaction-Diffusion Patterns, Chemomechanical Instabilities in Responsive Materials eds.: P. Borckmans; P. De Kepper; A. R. Khokhlov; S. Métens, Springer, Netherlands. ISBN 978-90-481-2992-8, 2009
Horváth, J.; Szalai, I.; De Kepper, P.: Pattern formation in the Thiourea-Iodate-Sulfite system: spatial bistability, waves, and stationary patterns, Physica D, 239, 776-784, 2010
De Kepper, P.; Szalai, I.: An effective design method to produce stationary chemical reaction-diffusion patterns, Communications on Pure and Applied Analysis, 11,189-207, 2012
Takacs N, Horvath J, Szalai I: Spatiotemporal Dynamics of Mixed Landolt Systems in Open Gel Reactors: Effect of Diffusive Feed., JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 114:(26) pp. 7063-7069., 2010
J. Horváth, I. Szalai, J. Boissonade, P. De Kepper: Oscillatory dynamics induced in a responsive gel by a non-oscillatory chenical reaction: experimental evidence, Soft Matter 18, 8462, 2011
Szalai Istvan, Horvath Judit, Takacs Nandor, De Kepper Patrick: Sustained self-organizing pH patterns in hydrogen peroxide driven aqueous redox systems, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 13, 20228, 2011
István Szalai, Daniel Cuiñas, Nándor Takács, Judit Horváth, and Patrick De Kepper: Chemical morphogenesis: recent experimental advances in reaction–diffusion system design and control, J. R. Soc. Interface Focus doi:10.1098/rsfs.2012.0010, 2012
Csörgeiné Kurin Krisztina, Szalai István, Orbán Miklós: A "nemlineáris kémiai dinamikai jelenségek" kutatása az ELTE Analitikai Kémiai Tanszékén, Csörgeiné Kurin Krisztina, Szalai István, Orbán Miklós A "nemlineáris kémiai dinamikai jelenségek" kutatása az ELTE Analitikai Kémiai Tanszékén MAGYAR KÉMIAI FOLYÓIRAT, 2012
Szalai István, Kurin-Csörgei Krisztina, Orbán Miklós: Modelling pH oscillators in open, semi-batch and batch reactors, REACTION KINETICS MECHANISMS AND CATALYSIS 106:(2) pp. 257-266. (2012), 2012
István Molnár, Nándor Takács, Krisztina Kurin-Csörgei, Miklós Orbán and István Szalai: Some general features in the autocatalytic reaction between sulfite ion and different oxidants, International Journal of Chemical Kinetics 45, 462-468, 2013
