Исследователи из университетов Мэриленда и Западной Виргинии впервые экспериментально обнаружили «химическое эхо» в системе из 1000 параллельно протекающих колебательных реакций. Явление заключается в спонтанном возникновении порядка в неупорядоченной системе после пары внешних воздействий. Это показывает, что хотя отдельный «химический маятник» не может «помнить» о внешних воздействиях, совокупность их большого количества способна проявлять подобие коллективной памяти. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.

Реакция Белоусова-Жаботинского в тонком слое. Tim Kench / Youtube

Маятники или, в более общем случае, осцилляторы — системы, параметры которых испытывают периодические колебания. Подобным образом можно описывать большой класс систем, начиная от колебаний атомов в сложных молекулах и заканчивая периодическими сокращениями клеток сердца. В крупных ансамблях из таких «маятников» из-за их взаимодействий друг с другом может возникать синхронизация и другие необычные отклики. Один из вариантов откликов — спонтанная синхронизация, проявляющаяся как «эхо» от пары внешних импульсов. Каждый импульс по-одиночке синхронизирует состояние системы лишь временно — постепенно она релаксирует, возвращаясь к хаосу, однако спустя время, равное промежутку между двумя импульсами, вновь наблюдается кратковременное упорядочение, без внешних воздействий.

Схема возникновения «спинового эхо». Gavin W Morley / Wikimedia Commons

Впервые такое упорядочение было открыто на системах ядерных спинов атомов водорода — оно носит название «спинового эхо». Сейчас оно используется в технике ядерного магнитного резонанса для детального анализа строения веществ и в магнитно-резонансной томографии. Позднее похожие «эхо» были использованы в нейтронных методах и позволили следить за фононами и магнонами в материалах. Аналогичные явления были обнаружены в волнах плазмы. Новая работа расширяет спектр систем, в которых можно встретить «эхо».

Химики исследовали систему, в которой находилась сразу тысяча шариков с катализатором, необходимым для запуска реакции Белоусова-Жаботинского. Это автоколебательная реакция, в которой смесь из нескольких веществ периодически меняет окраску. Механизм процесса включает в себя несколько десятков элементарных стадий. Каждый шарик был самостоятельным «реактором» и запускал колебания на собственной частоте. Поскольку в реакции использовался светочувствительный катализатор, то и в роли пары инициирующих импульсов ученые использовали свет. 

Пики параметра упорядоченности, вызванные облучением светом (синий пунктир) и эхо (красный пунктир). Tianran Chen et al. / PRX, 2016

После первого импульса на некоторое время реакции вокруг разных шариков синхронизировались, но лишь на время. Второй импульс света, который химики включали спустя несколько сот секунд, снова временно синхронизировал колебательные реакции. Спустя следующие несколько сотен секунд степень синхронизации вновь спонтанно повышалась, но не достигая значений, наблюдавшихся в ответ на импульсы.

Повторить экспериментальные наблюдения «эхо» удалось и компьютерным моделированием на системах в 100 тысяч шариков-осцилляторов. Оказалось, что рассинхронизация и «забывание» осцилляторов об управляющих импульсах лишь кажущиеся — в действительности информация о воздействиях остается «записана» во взаимосвязи между фазами осцилляторов. Эта взаимосвязь поддерживается даже в, казалось бы, полностью лишенной синхронизации системе. Авторы надеются, что аналогичные «эхо» удастся найти и в живых системах, например, в колониях бактерий. 

Реакция Белоусова-Жаботинского — представитель класса колебательных химических реакций. Внешне она проявляет себя периодическими изменениями окраски, например, с бесцветной на синюю или с фиолетовой на синюю. В классическом варианте этого эксперимента требуется смешать органическое вещество, окисляемое в реакции (обычно лимонную или малоновую кислоту), окислитель (бромат калия) и ускоряющий эти процессы катализатор (соль трехвалентного церия). При реакции катализатор меняет свою форму с активной на неактивную и обратно — это и обуславливает смену окраски. 

Недавно химики из Университета Питтсбурга разработали метод распознавания изображений, основанный на гелях, в которых происходит реакция Белоусова-Жаботинского. 

Автор: Владимир Королёв