Химические волны и спирали

На свете существует множество еще более прекрасных и сложных явлений. Некоторые из них представлены на рис. 6.5.

^{Рис. 6.5. Химические структуры в форме кругов (данный рисунок) и спиралей (рис. 6.6). Круги распространяются наружу, а спирали закручиваются}

Мы снова возвращаемся к реакции Белоусова-Жаботинского. Сначала в центрах, случайным образом возникающих на общем красном фоне, образуются голубые точки; затем эти точки становятся голубыми кругами, в центрах которых появляются красные точки, быстро вырастающие в красные круги; в красных кругах образуются голубые точки, и все повторяется сначала. Таким образом, голубые концентрические кольца расходятся вширь. Условия эксперимента можно изменить, проведя по жидкости, скажем, ногтем; результатом станет возникновение спиралей (рис. 6.6).

^{Рис. 6.6. См. подпись к рис. 6.5}

На первый взгляд, понять причину образования подобных макроскопических структур весьма непросто; воспользуемся для облегчения этой задачи следующим нехитрым примером. Возникновение концентрических колец можно сравнить со степным пожаром. Красный фон станет в таком случае высохшей травой, а огонь в эпицентре пожара в безветренную погоду будет гореть равномерно, распространяя пламя по кругу одинаково во все стороны. Если горящую поверхность обозначить голубым цветом, то сложится следующая картина: небольшая голубая точка разрастается сначала до круглого пятна, а затем расходится все дальше и дальше от эпицентра, в котором уже снова успела вырасти и высохнуть трава, благодаря чему он на нашей картине вновь выглядит красным и продолжает разрастаться до тех пор, пока трава за линией расширяющегося фронта пожара не высохнет до степени самовозгорания. После этого вся история повторяется сначала. Описываемые здесь химические реакции не нуждаются во внешнем воздействии (для степного пожара таким воздействием является воспламеняющий траву жар солнца). Система сама по себе находится в состоянии, являющемся в известной степени надкритическим, и реакция, ведущая к возникновению голубых точек, начинается самопроизвольно, но в остальном это явление того же рода, что и степной пожар. Выгорание в случае с травой из нашего примера и появление кругов голубого цвета на красном фоне в реакции Белоусова-Жаботинского означает, что происходят определенные химические трансформации, однако затем наступает фаза обратной реакции, которая приводит к восстановлению прежнего состояния.

Для возникновения волн или спиралей в реакции Белоусова-Жаботинского молекулы реагентов должны сходиться друг с другом, а это означает, что они должны обладать способностью к движению. Они и в самом деле движутся, и происходит это благодаря диффузии — явлению, всем нам хорошо знакомому из повседневной жизни. Например, промокнем чернильное пятно на столе листом промокательной бумаги: чернила диффундируют в бумагу, в результате чего мы получим чернильное пятно уже на бумаге. Обсуждаемые здесь макроскопические процессы основаны, таким образом, на взаимопереходах между химическими реакциями с одной стороны, и диффузией — с другой. Такие процессы описываются уравнениями, которые на профессиональном языке называются уравнениями диффузии; здесь мы ими заниматься, естественно, не будем. Важно для нас только то, что математическая обработка и здесь доказывает существование параметра порядка, управляющего развитием пространственно-временных структур. Именно тип параметра порядка определяет возникновение в системе волновых или спиральных структур. В полном согласии с теорией экспериментально были обнаружены также полосатые и гексагональные структуры, аналогичные образующимся в нагреваемой снизу жидкости.