Серфинг на химической волне

Японским ученым удалось впервые показать прямую трансформацию химической энергии в механическую и добиться перемещения материального объекта при помощи так называемых химических волн, ранее не рассматривавшихся в качестве источников механического импульса. Это открытие может быть использовано в микро- и наноустройствах будущего для осуществления транспорта или для прецизионного контроля доставки лекарств к определенному участку организма.

Команда ученых, состоявшая из специалистов из Университетов Киото, Кинки и Нагои, проводила свои эксперименты с химическими автоколебательными реакциями, формирующими распространяющиеся волны в процессе перехода компонентов химического раствора из одного состояния в другое и обратно.

Такой тип реакций был назван в честь выдающихся отечественных исследователей – Бориса Павловича Белоусова, впервые открывшего этот тип реакций, и Анатолия Марковича Жаботинского, первым предложившего описательный механизм процесса, до конца не изученного и поныне. Белоусов проводил исследования цикла Кребса, пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в 1951 году, а именно окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора – ионов церия Ce+3, он обнаружил автоколебания. Течение реакции меняется со временем, и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce+3) к жёлтому (Ce+4) и обратно.

Несмотря на то, что данный тип реакций при всей своей химической сложности и красоте до сих пор никогда не применялся в практических целях, он служит модельным при изучении многих природных реакций, фронт распространения которых в живых системах напоминает чередование черных и белых полос.

В течение долгого времени этот тип реакций рассматривался только как метод передачи информации химическим путем, однако оказалось, что его можно использовать и для переноса массы.

Так ученые научились запускать волну колебательного химического превращения, которая, распространяясь, увлекает за собой небольшой кусочек фильтровальной бумаги. Остановить перемещение бумажного груза можно, пустив навстречу распространяющемуся фронту химической реакции встречный импульс. В этом случае, как нетрудно догадаться, остановка транспортируемой частицы происходит в месте столкновения двух волн.

Важно понимать, что распространение волны в реакциях Белоусова – Жаботинского происходит не под действием перемещающихся частиц и потоков жидкой среды, а в результате того, что реагенты в объеме жидкости локально переходят из основного состояния в возбужденное, а затем возвращаются в исходное. С точки зрения физики, именно это и есть настоящие волны. Очень иллюстративно сравнение этого процесса с волной, которую болельщики часто запускают на стадионах во время футбольных матчей – волна движется, несмотря на то, что все участники действа остаются на месте.

Кусочек же фильтровальной бумаги остается «на гребне» этой волны, потому что окисленное состояние реагентов смеси Белоусова – Жаботинского имеет большее поверхностное натяжение, чем восстановленное. Это натяжение затягивает бумажку в окисленную область и уже не отпускает обратно.

Так что при всей сложности автоколебательного химического процесса идея транспорта на основе таких реакций довольно проста, и вряд ли ей можно отказать в гениальности.

Основой эксперимента японских специалистов явилась смесь Белоусова – Жаботинского, находящаяся в спокойном состоянии. На её поверхность помещался кусочек фильтровальной бумаги, а вся система вместе с небольшим прямоугольным бассейном помещалась под слой масла. Колебания в системе возбуждались с помощью серебряного кабеля.

Красивейшая работа японских химиков вышла в свет в последнем номере Journal of Physical Chemistry, а по ниже приведённым ссылкам можно воочию увидеть, как одна волна захватывает и переносит груз, а встречная его останавливает в нужном месте.

Комментируя свой труд, руководитель работ, Кэнити Йосикава из университета Киото, отметил, что в данном случае удалось впервые напрямую трансформировать энергию химической реакции в энергию механического перемещения. Именно таким образом функционируют все живые системы, в то время как в наиболее распространенных преобразователях химической энергии в механическую – двигателях внутреннего сгорания – это превращение неизбежно проходит через стадию выделения тепловой энергии.

В настоящее время ученые трудятся над тем, чтобы научиться аналогичным образом перемещать грузы, более ценные и полезные, чем фильтровальная бумага, а также пытаются сконструировать более сложные системы микроканалов, заполненных реактивами Белоусова – Жаботинского, с целью осуществления более комплексных перемещений.

Сам Йосикава видит применение для своего транспортного метода и в медицинских приложениях. Например, подобная система микроканалов, заключенная в подкожный имплантат, может выплескивать наружу контейнеры с лекарствами через определенные временные интервалы, причем делать это полностью автономно, без привлечения энергии электричества.