WĘDRUJĄCE KOLOROWE FALE REAKTYWNOŚCI CHEMICZNEJ (SAMOORGANIZACJA PRZESTRZENNA W REAKCJI ŻABOTYŃSKIEGO-ZAIKINA-WINFREE)

 

Sporządzić roztwory:

A: w 10 ml wody rozpuścić 1 g kwasu malonowego oraz 0,5 g KBr
B: do 36 ml wody destylowanej dodać 1 ml stężonego kwasu siarkowego oraz 2,5 g KBrO3
C: 0,025 M roztworu ferroiny: 0,392 g Soli Mohra Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O oraz 0,834 g siarczanu (ale nie chlorowodorku!) o-fenantroliny rozpuścić w małej ilości wody i dopełnić do 40 ml. Żaden z roztworów nie może zawierać chlorków!

6,5 ml roztworu B wlać do małej kolbki ze szklanym korkiem i dodać 1 ml roztworu A. Powstaje brunatne zabarwienie - wolny brom. Kolbkę zamknąć korkiem szlifowym i odczekać 1-2 minuty, aż zniknie zabarwienie roztworu oraz par ponad roztworem. Dopiero wtedy dodać 1 ml roztworu ferroiny i zawartość wylać na płytkę Petriego, dokładnie wymieszać. Po 2-3 minutach, na tle pomarańczowego roztworu powstaje jeden lub kilka niebieskich punktów, powoli rozszerzających się w niebieskie koliste strefy. Po pewnym czasie wewnątrz niebieskiej strefy powstaje pomarańczowy rozszerzający się punkt itd. Poniżej umieszczono fotografie kolejnych faz rozwoju samoorganizacji; zdjęcia były robione co minutę (jedynie trzy ostatnie - w odstępach co 3 minuty).

 

Odsyłam także do obejrzenia filmu (w przyspieszonym tempie): http://pl.youtube.com/watch?v=bH6bRt4XJcw&feature=related

Nie jestem pewien, czy Czytelnik docenia dramatyzm prezentowanych tu zjawisk! Na naszych oczach, z chaosu (dokładnie wymieszany roztwór wyjściowy) zupełnie samorzutnie rodzą się struktury przestrzenne o niezwykłych właściwościach. Właściwości te przypominają nieco zachowanie zarówno organizmów żywych, jak i zbiorowisk społecznych. Jeśli takie samorzutne procesy są możliwe w naszym laboratorium, to powstaje pytanie: czy kiedyś w podobny samorzutny sposób mogło powstać życie, a jeszcze wcześniej - cały Wszechświat? Rozumowanie takie prowadzi nieuchronnie do sporów światopoglądowych... (Zostaną one krótko podsumowane na zakończenie).

Prezentowana reakcja jest modyfikacją reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego; użyto jedynie większego stężenia wskaźnika-katalizatora: ferroiny. W takim niemieszanym roztworze szczególnie łatwo wzbudzają się samoorganizacje przestrzenne w postaci wędrujących fal. Rozchodzą się fale stanu redukcji reagentów (zabarwienie pomarańczowe ferroiny) na zmianę ze stanem utlenienia (zabarwienie niebieskie). Roztwór wyjściowy znajduje się w wzbudzonym stanie czułym. W stanie tym przypadkowe fluktuacje powodują powstanie punktów będących emiterami fal reaktywności rozprzestrzeniajacych się stopniowo na cały układ. Zazwyczaj w naczyniu powstaje kilka (na zdjęciu 8 jest ich sześć lub siedem) punktów emitujących fale o różnej częstotliwości. Po pewnym czasie zderzające się fale anihilują ze sobą tworząc linię frontu. Punkt emitujący fale o większej częstotliwości stopniowo rozszerza swoją "strefę wpływu" kosztem innych punktów. Na fotografii 5 wyraźnie widać, że punkt położony najbliżej środka emituje fale z najmniejszą częstotliwością; na zdjęciu 9 jest on właśnie wchłaniany przez inne fronty fal reaktywności. Na pozostałych zdjęciach można dopatrzyć się kilku jeszcze innych nieudanych prób ustanawiania własnych "państwowości" - w cieniu potężnych sąsiadów... W takim zachowaniu można dopatrzyć się analogii do funkcjonowania struktur politycznych w zbiorowiskach ludzkich, jak również analogii do ustanawiania ekonomicznych i wojskowych stref wpływów w skali globalnej... Czyżby nasze ludzkie zachowania nie różniły się zbytnio od zachowań reagujących cząsteczek?

Czasami zdarza się, że jeden z punktów emituje falę spiralną (udało mi się tylko raz zaobserwować podobny fenomen, załączam kopię fotografii zaczerpniętą z cytowanej pracy A.T.Winfree). W naczyniu takim musi znaleźć się drugi punkt, również emitujący falę spiralną, o przeciwnej jednak skręcalności! A właściwie skąd ten drugi punkt "wie", że ma on emitować falę np. lewoskrętną?!

Dokładniejsze badania wskazują, że spiralne fale reaktywności przyjmują szczególną strukturę przestrzenną. Jest to nieco podobne do  sytuacji, jakby zwinąć dywan w rulon, wygiąć ten rulon łukowato i oglądać sposób zwinięcia obu jego końców jednocześnie.

Jeden z twórców nowoczesnej termodynamiki nieliniowej (opisywane zjawiska są tak niezwykłe, że czasem używa się określenia: termodynamika stanów "głęboko niezrównoważonych") wprowadził tezę o oddziaływaniu informacyjnym dalekiego zasięgu reagujących cząsteczek! W układach odchylonych szczególnie silnie od stanu równowagi, wszystkie cząsteczki mają skłonność do spójnych grupowych zachowań. Pewną analogią niech będzie wyszkolony oddział wojska. W zbiorowisku tym istnieje wytrenowana dążność do zachowań grupowych (cała wojskowa musztra, dryl i indoktrynacja ma na celu wzmocnienie zbiorowych zachowań i zniszczenie indywidualności żołnierzy...). Istnieje prócz tego stan oczekiwania na sygnał do spójnego działania (owe: "baczność!" - przed wydaniem rozkazu). Nie łudźmy się jednak: taką skłonność mamy wrodzoną nawet bez treningu i musztry. Na pewno wiele razy szliśmy sobie chodnikiem obok naszego towarzysza. Jeśli tempo marszu było szybkie, to z pewnością szliśmy "w nogę". Dlaczego?! Przecież jeśli idzie się obok siebie, a nie pod rękę - to i tak nie ma to żadnego wpływu na wygodę maszerowania. Oto przykład naszej własnej nieuświadamianej skłonności do zachowań grupowych... Jest zwyczaj, że po emocjonujących wykonaniach muzyki, oklaski dawane są "w jednym rytmie" (w stanie znacznego poruszenia odczuwamy widocznie silną potrzebę zachowań grupowych). W szczególnych wypadkach widzowie dają owację na stojąco. W takim momencie odczuwamy niezwykłą presję zmuszającą do przyłączenia się do niej, pomimo, że czasem wcale nie mamy do tego ochoty... A owe: "cała sala śpiewa!...", "wszyscy tańczą!...". Szokujący i groźny obraz grupowych zachowań obejrzeć można w filmie F  "Defilada". Wreszcie ostatni przykład dotyczy zachowania tłumu na stadionie podczas meczu. Jeśli podczas niezbyt ważnego meczu, w dość sennej atmosferze (stan zbliżony do równowagi), któryś z (podpitych) kibiców nagle wykrzyknie: "bij sędziego!" (przypadkowa niezbyt znaczna fluktuacja) - to otoczenie praktycznie na to nie zareaguje (nieznaczna fluktuacja w stanie zbliżonym do równowagi zostaje szybko "wygaszona"). Zupełnie inna sytuacja będzie podczas ostatnich minut emocjonującego meczu o wielką stawkę (stan silnie odchylony od równowagi). Podobny jak poprzednio przypadkowy wybryk kibica zostaje teraz jednak podchwycony przez otoczenie, dając początek zaburzeniu, które lawinowo rozprzestrzenia się na cały stadion (fluktuacja nie zostaje uśredniona, ale wzmacnia się i rozszerza na cały układ). W gruncie rzeczy podobne prawidłowości są powodem niezwykłych zachowań w opisywanym doświadczeniu. Opis matematyczny takich zjawisk znany jest pod nazwą teorii katastrof. Ma ona zastosowanie do opisu zarówno procesów chemicznych, jak i ruchu płynów, zjawisk ekologicznych, pracy serca, meteorologii, urbanizacji itd. Jest zrozumiałe, że pewne elementy teorii katastrof wykładane są w szkołach policyjnych...

Proszę wybaczyć, że zamiast tłumaczyć skomplikowany chemizm reakcji Ż-Z-W (co i tak prawdopodobnie nie wyjaśniłoby tych zjawisk), sięgnąłem po analogie z tak odległych dziedzin. Przyczyny są bowiem nie tyle chemicznej, co termodynamicznej natury.

Aby podobne niezwykłe zjawiska samoorganizacji czasowej lub przestrzennej mogły powstać, niezbędne (ale czasem niewystarczające) jest spełnienie kilku warunków:

Bardziej szczegółowy opis tych warunków jest tematem F oddzielnego opracowania.

Wracając do problemów światopoglądowych: podobne zjawiska były od dawna używane jako argument w odwiecznym sporze pomiędzy ateistami a kreacjonistami: skoro wszystko może powstać samo z siebie (podobnie jak w naszym doświadczeniu), to istnienie Stwórcy nie jest potrzebne... Nieporozumienie polega na tym, że samoorganizacja której zdjęcia zamieszczam wyżej, powstała nie sama z siebie - ale to ja ją stworzyłem! No, może nie tyle ja - co wytwórnia odczynników których użyłem do odchylenia układu od równowagi i zapoczątkowania procesów (do reakcji Ż-Z-W używa się dość stężonych roztworów silnych utleniaczy i silnych reduktorów). A w wytwórni odczynników zużywa się znacznych ilości energii, która zamieniana jest na wysoki potencjał chemiczny substratów... A wszystkie źródła energii mają to samo wspólne pierwotne źródło: energię Słońca, będącą szczątkową resztką energii istniejącej w "momencie zerowym"... Tak więc właściwie praprzyczyna dziwacznych zachowań prezentowanej tu reakcji jest ta sama, która zapoczątkowała kiedyś WSZYSTKO... Ponieważ nikt nie potrafi powiedzieć, co (lub: kto?) było ową pierwotną przyczyną, zatem podobne "dowody" są raczej przykładem tupetu niż elementem rzeczowej dyskusji.

Powyższe nieco przydługie uwagi można potraktować jako zachętę do głębszych rozważań. Zbliżające się Święta niech będą usprawiedliwieniem tej prowokacji.

To zresztą nie koniec niezwykłości... Oczywiste zainteresowanie budzi punkt emitujący fale reaktywności. W drugiej cytowanej pracy zamieszczono zdjęcie silnie powiększonego (długość obrazka: ok. 3 mm) takiego punktu emitującego falę spiralną. W centrum emisji znajduje się niezwykły wirujący pięciokątny twór o nieznanej naturze. Zaraz, zaraz... Pentagram? Toż to symbol szatański i bolszewicki... A kysz!

(zawiła symbolika pentagramów: http://www.kosciol.pl/article.php/2008092117090330 )

LITERATURA
Sci. Am. 230 (1974), 82. [Reakcja Ż-Z-W]
Nature. 366 (25 Nov. 1993), 322. [Pięciokątna struktura w centrum emisji fal]
Nature (London) 403, 849 (2000).     Phys.Rev.E 61, 6987 (2000) (poprzez: http://www.nature.com/nature/  http://publish.aps.org)  [Prace o synchronizacji klaskania...]
http://www.clubtre.sky.net.ua/denis/recipes.html [Reakcje oscylacyjne]  (strona nieczynna)
http://www.sci.wsu.edu/idea/OscilChem/ [Reakcje oscylacyjne; historia, modele]
http://www.chem.leeds.ac.uk/delights/texts/expt_11.html [Reakcja oscylacyjna Briggsa-Rauschera]
http://chem-courses.ucsd.edu/Uglabs/Lecture/Demos/  [Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego]
http://www.chem.univ.gda.pl/~tomek/groszki.htm [Model procesów samorzutnych]
M.Orlik. “Reakcje oscylacyjne, porządek i chaos”. Wyd. WNT, Warszawa 1996.
I.Prigogine, I.Stengers. “Z chaosu ku porządkowi”. Wyd. PIW, Warszawa 1990 (seria “Ą”).
A.L.Kawczyński. “Reakcje chemiczne. Od równowagi przez struktury dyssypatywne do chaosu”. Wyd. WNT, Warszawa 1990.
A.Okniński. “Teoria katastrof w chemii”. Wyd. PWN, Warszawa 1990.
T.Pluciński. “Doświadczenia chemiczne” . Wyd. “Adamantan”, Warszawa 1997, s. 84. [Reakcja Ż-Z-W]
S.Lem. “Cyberiada”, Wyd. VERBA, Chotomów 1990, s. 299. (“Kobyszczę”). [Doświadczenia nad modelami cywilizacji]

Zupełnie niezwykły film dotyczy innego jeszcze zjawiska:
http://www.youtube.com/watch?v=A5OhZ9wT568&feature=related

 

Tomasz Pluciński
nowy adres:  tomasz.plucinski@ug.edu.pl 

F strona główna