Dynamics of coupled chemical systems: coherent behaviour, control and synchronization  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
60417
Type K
Principal investigator Gáspár, Vilmos
Title in Hungarian Csatolt kémiai rendszerek dinamikája: koherens viselkedés, kontroll és szinkronizáció
Title in English Dynamics of coupled chemical systems: coherent behaviour, control and synchronization
Keywords in Hungarian nemlineáris kémiai dinamika, csatolt rendszerek, koherencia, kontroll, szinkronizáció,
Keywords in English nonlinear chamical dynamics, coupled systems, coherent action, control, synchronization
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Physical Chemistry (University of Debrecen)
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-12-31
Funding (in million HUF) 6.000
FTE (full time equivalent) 0.87
state closed project
Summary in Hungarian
Az oszcilláció, káosz és mintázatképződés törvényszerűségeinek vizsgálatára ideális „modellek” a kémiai (elektrokémiai) rendszerek, mert az egzotikus dinamikát befolyásoló paraméterek könnyen szabályozhatók. További előnye a kémiai rendszerekkel való munkának, hogy a dinamikáért felelős mozgástörvényeket könnyű ún. differenciálegyenletek formájában megalkotni, melyek „rutinszerűen” elemezhetők egzakt matematikai illetve numerikus eljárások segítségével. Az elmúlt évtizedek kutatásait részben az motiválta, hogy segítségükkel próbáltuk modellezni az élő rendszerek hasonló jelenségeit (pl. szívritmus, ideg- és agyhullámok stb.). Be kell azonban látnunk, hogy az így megszerzett ismeretek csak nagy képzelőerővel általánosíthatók a bonyolult biológia rendszerekre. Az élő szövetekre ugyanis az jellemző, hogy nagyszámú egységet tartalmaznak, s így a kollektív dinamika kialakításában ezen egységek globális és/vagy lokális csatolása nagyon lényeges szerepet játszik. Ezért jelen pályázatban célul tűzöm ki: a) csatolt nemlineáris kémiai rendszerek vizsgálatát, b) a koherens dinamika kialakulását szabályozó törvényszerűségek megismerését, c) a szabályozott (szinkronizált) viselkedést előidéző kontroll eljárások kidolgozását. E célok elérét i) csatolt elektrokémia rendszerek illetve ii) csatolt reakció-diffúzió rendszerek kísérletekre és modellszámításokra alapozott nemlineáris dinamikai vizsgálatával tervezem.
Summary
Chemical (electrochemical) systems are ideal „models” for studying the laws of oscillations, chaos and pattern formation since the parameters affecting the exotic dynamics can be easily controlled. Further advantage of working with chemical systems is that the „laws of motion” responsible for the dynamics are easy to define in forms of differential equations that can then be „routinely” analyzed with exact mathematical or numerical methods. During the last decades, the motivation for this research originated – partially – from our hope to model similar behavior of living systems (rhythm of heart, neural activity in the brain, etc.). However, it is time to realize that one needs strong imagination to transfer and (generalize) the accumulated knowledge to the much more complex biological systems. It is characteristics of biological tissues that they are built of large number of cells, and thus the global and/or local coupling of the units must play an essential role in generating the collective dynamics. Therefore, with the present project I plan to a) investigate the nonlinear dynamics of coupled chemical systems, b) learn about the general laws governing the emergence of coherent dynamics and c) develop algorithms for achieving controlled (synchronized) behavior. To reach these goals i) coupled electrochemical systems and ii) coupled reaction–diffusion systems will be studied experimentally and numerically .





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az Európai Tudományos Alap (ESF) által támogatott „Funkcionális dinamika ...” (FUNCDYN) című programhoz kapcsolódva célul tűztük ki globálisan csatolt rendszerek dinamikai vizsgálatát. Célunk a szinkronizáció kialakulását szabályozó törvényszerűségek megismerése volt - elsősorban elektrokémia rendszerek kísérletekre és modellszámításokra alapozott vizsgálatával. A terveknek megfelelelően továbbfejlesztettük az elektrokémia oszcillátorok vizsgálatára alkalmazott kísérleti berendezésünket. Új vezérlőprogramokat írtunk és teszteltünk, melynek során felfedeztük, hogy az elektrokémiai oszcillátorok fázisdiagrámjának a forgó korong-elektród méretétől és forgási sebességétől való függése ún. skálatörvényel írható le. Egy magyar-román TéT együttműködési pályázat kiegészítő támogatásával közös kutatást kezdtem Adrian Birzuval (A.I. Cuza University, Iasi). FORTRAN nyelven kifejlesztett programcsomag alkalmazásával modellszámításokat végeztünk két ill. 128 csatolt S-NDR típusú elektrokémiai oszcillátor kollektív viselkedésének jellemzésére. A szinkronizáció klasszikus kialakulása mellett egy új jelenséget is találtunk, az ún. dinamikai klaszterképződést. Az OTKA pályázat lehetővé tette szakmai együttműködésemet egykori PhD hallgatómmal, Kiss István Zalánnal (ma a Saint Louisi Egyetem, USA, professzora), akivel kutatást végeztünk az elektrokémiai oszcillátorok dinamikájának vezérlésére az ún. késleltetett visszacsatolási algoritmusok alkalmazásával.
Results in English
With this project, our goal was to study the dynamics of globally coupled systems as part of the FUNCDYN (Functional dynamics ...) programme supported by the European Science Foundation. We hoped to learn about the rules that govern the appearance of synchrony – especially by studying electrochemical systems experimentally and by numerical modelling. We upgraded our electrochemical measuring system. New control programs have been written and tested, during which we have discovered a new scaling relationship. It defines the dependence of the oscillatory phase diagram on the electrode size and rotation rate of a disk-electrode. With the additional support from a Hungarian-Romanian S&T Cooperation Programme we have started a joint research with Adrian Birzu (A.I. Cuza University, Iasi). We have studied the dynamics of globally coupled arrays of S-NDR type electrochemical oscillators (2 and 128 electrodes) and characterized the emergence of synchrony by applying FORTRAN codes for simulations and analysis written by us. Besides the classical scenario for synchronization, we have discovered a new dynamical phenomenon: the appearance of dynamical clusters. The support from OTKA allowed me to renew our research activity with my former PhD student, István Zalán Kiss (now a professor at Saint Louis University, USA). We have completed a project for controlling the dynamics of electrochemical oscillators by applying different delayed-feedback algorithms.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=60417
Decision
Yes





 

List of publications

 
Gáspár V.: Káosz és rend kémiai rendszerekben: káoszszabályozás és mintázatképződés, Az MTA Fizikai Kémiai és Szervetlen Kémiai Bizottságának ülése, Budapest, Polányi Mihály fődíj előadás, 2006
I. Z. Kiss, Z. Kazsu, V. Gáspár: Tracking Unstable Steady States and Periodic Orbits of Oscillatory and Chaotic Electrochemical Systems Using Delayed Feedback Control, Chaos, 16, 033109, 2006
A. Birzu, V. Gáspár: Synchronization of electrochemical oscillators of S-NDR type, Electrochimica Acta, 55, 383-394., 2009
I. Z. Kiss, Z. Kazsu, V. Gáspár:: Scaling Relationship for Oscillating Electrochemical Systems: Dependence of Phase Diagram on Electrode Size and Rotation Rate, Phys. Chem. Chem. Phys., 11, 7669–7677., 2009




Back »