Химические волны сформировали устойчивый волновой пакет

Физики научились контролировать диффузионные волны в веществе с помощью растяжения и сжатия жидкости в гиперболическом потоке. Метод позволил ученым получить волновой пакет, устойчивый даже при прекращении сжатия, что, в свою очередь, должно стать следующим шагом к передаче информации с использованием химических волн. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Диффузия в сочетании с химическими реакциями создает так называемые химические волны — самоорганизованные изменения концентрации материи, которые можно увидеть не только в химии, но и в биологии: например, в динамике нейронов или электрической активности сердца. При этом важной задачей стала возможность управлять параметрами химических волн — направлением, частотой, а также длиной. Для этого исследователи в основном используют светочувствительные среды, сложные геометрические формы или адвекцию (движение вещества в горизонтальном направлении). Однако последний метод подразумевает перемещение всех компонентов системы и мешает передаче информации с помощью химических волн.

Физики из Бельгии и Франции под руководством Сатоши Изумото (Satoshi Izumoto) из Брюссельского свободного университета предложили использовать потоки гиперболической формы с постоянным растяжением и сжатием, чтобы управлять химическими волнами.

Для этого исследователи приготовили раствор на основе реакции Белоусова — Жаботинского (со скоростью химической волны 0,11 миллиметра в секунду) и поместили его в реактор, состоящий из двух параллельных пластин, которые ограничили гиперболической формой и расположили на расстоянии 0,5 миллиметра друг от друга для формирования потока с постоянным растяжением и сжатием. Сам гиперболический поток физики сформировали благодаря впрыску реагентов по оси y и оттоку продуктов реакции по оси x.

В итоге ученые выяснили, что при низкой скорости потока и, соответственно, малой степени сжатия вещества вблизи точки стагнации (в центре реактора) образовались химические волны, направление которых оказалось противоположно тому, которое желали получить авторы работы. При увеличении сжатия вещества волновой вектор выровнялся параллельно оси y, а сами волны образовали волновой пакет конечной ширины с нулевой групповой скоростью. Чтобы определить пороговую степень сжатия, при которой система образует устойчивые волновые пакеты, физики пронаблюдали картину реакции, увеличивая впрыск реагентов с малым шагом, и получили граничное значение в одну сотую обратной секунды. При этом выяснилось, что если пакет уже сформировался, то обратное уменьшение сжатия ниже граничного значения не разрушает его, то есть информация, которую можно закодировать в химическую волну, достигнет цели даже при выключении генерирующего устройства.

Исследователи отметили, что их работа должна стать началом для более подробного изучения химических волн с гиперболическим пространственным возбуждением в естественных системах, например, таких, как хаотические потоки и центры вихрей.

О том, как в распространении химических волн физики увидели мозаику Вороного, мы писали ранее.