Мозаику Вороного увидели в распространении химических волн

Физики провели диффузионно-осадочную химическую реакцию в среде с несколькими источниками диффузии одновременно и выяснили следующее: когда фронты распространения осадков встречаются, то вместо смешивания они оставляют между собой зазор. Ученые предположили, что получившиеся структуры оказались физико-химическим аналогом диаграмм Вороного для спонтанного процесса. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Когда химическая реакция сочетается с физическим явлением диффузии в растворе, возникает так называемая химическая волна — возмущения макроскопических величин, которые распространяются на большие расстояния без затухания. Из-за разницы цвета или твердой и жидкой фазы реагентов и продуктов реакции это распространение приводит к возникновению интересных пространственных структур — химических паттернов, а в случае нескольких источников диффузионно-осадочной реакции химические волны останавливаются на границе друг с другом, образуя при этом заметный разрыв между двумя и более участками реакции. Однако до сих пор никто сообщал об исследовании подобных разрывов в окислительно-восстановительных реакциях и не связывал такой спонтанный физико-химический процесс с проявлением диаграмм Вороного.

Рабих Султан (Rabih Sultan) из Американского университета Бейрута совместно со своими коллегами рассмотрел химические волны в нескольких различных реакциях осаждения и электроосаждения металлов, чтобы подробнее изучить образующиеся разрывы между фронтами распространения вещества.

Ученые использовали ферро- и феррицианидные соли кобальта и серебра для осадочных реакций: для этого они капнули одну каплю реагента в центр чашки Петри и еще пять по бокам, а затем измерили скорость распространения химических волн и энтропию Шеннона для образца Co₂Fe(CN)₆. Во втором эксперименте физики поместили в чашку петри несколько маленьких медных дисков и добавили нитрат серебра (AgNO₃), в результате чего на дисках началось восстановление ионов серебра в виде разветвленных фрактальных структур. При этом кончики ветвей, выросших из двух различных точек, не соприкоснулись, а оставили между собой зазор, различимый невооруженным глазом.

Во время анализа экспериментальных данных выяснилось, что энтропия Шеннона продемонстрировала практически линейный рост для точек диффузии, расположенных случайным образом вокруг центральной, но когда физики подсчитали этот параметр для эпицентров химических волн, которые разместили в вершинах правильного пятиугольника, энтропия оказалась равной нулю. На математическом языке такой результат означает следующее: линия, соединившая две точки диффузионной реакции, поделила границу между фронтам распространения ровно посередине. На основе полученных данных ученые выдвинули гипотезу, что образовавшиеся структуры — аналог диаграмм Вороного.

По словам авторов работы, их результаты интересны в первую очередь тем, что мозаика Вороного возникла в спонтанном физико-химическом процессе, о чем ранее не сообщалось в других публикациях. При этом исследователи подчеркнули, что их выводы требуют дополнительного подтверждения и более детального дальнейшего изучения.

Примеры диаграммы Вороного в физике давно помогают ученым в исследованиях, например, чтобы предсказывать успешные пасы в футболе или моделировать космологические объекты.