O tajemniczej reakcji, która dwóm Ruskim sławę dała

Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego jest jednym z pięknych odkryć XX wieku, które latami czekało na szerszą akceptację. We wczesnych latach 50. Borys Biełusow zauważył ciekawe zachowanie mieszaniny bromianu(V) potasu, siarczanu ceru(IV), kwasu malonowego oraz kwasu cytrynowego w rozcieńczonym kwasie siarkowym. Otóż stosunek ilości jonów ceru(IV) i ceru(III) oscylował – co skutkowało cyklicznymi zmianami koloru roztworu. Kiedy Biełusow spróbował opublikować swoje odkrycie, został zignorowany przez dwa pierwsze pisma, w których złożył swoją pracę, ponieważ nie potrafił wytłumaczyć tego zachowania. Ostatecznie pracę opublikował w piśmie nierecenzowanym.

Podobny los spotkał Anatola Żabotyńskiego, który odkrył tę reakcję na nowo w 1961 roku. Należnej publicity reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego doczekała się dopiero w latach 70., kiedy to Field, Koros oraz Noyes wyjaśnili mechanizm tego zjawiska, dając początek nowej dziedzinie chemii: nieliniowej dynamice chemicznej.

Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego przeprowadzona w szalce petriego wygląda jak poniżej. Na łopatki powalająca jest ta kreacja struktur fraktalnych – i jak na mój gust, dla tego konceptu nie musi być żadnego zastosowania. Miejsce zaszczytne w historii nauki należy mu się za sam fakt, że jest.

Ale wygląda na to, że zastosowania jednak znajduje. Co oczywiście liczy się tej reakcji tylko na plus.

W najnowszym numerze Soft Matter badacze z grupy Krystyn Van Vliet z MIT publikują wyniki swoich badań nad oscylującymi żelami polimerowymi. Cała ta dziedzina opiera się właśnie na reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego (RBZ): w przeciewieństwie do całej gamy polimerów, które zmieniają cyklicznie swoje właściwości pod wpływem np. temperatury albo zmiany pH, żele badane przez grupę Van Vliet zmieniają cyklicznie swoje właściwości… bez powodu. Czy też raczej bez zewnętrznego bodźca, bo powód oczywiście jest i jest nim reakcja BZ.

Naukowcy z MIT postanowili sprawdzić, jaki wpływ na oscylacje może mieć kształt oraz rozmiar tych żeli. Generalnie cały eksperyment wyglądał następując: najpierw syntetyzowano żel na bazie m.in. poliakrylamidu zawierający w swojej strukturze wmieszany indykator reakcji BZ, np. ferroinę, a następnia zanurzano ten żel w roztworze zawierającym pozostałe niezbędne reagenty. Sposób formowania tych wzorców badacze obserwowali dla trzech różnych rozmiarów żeli, zdefiniowanych poprzez stosunek ich długości do szerokości (wszystkie o tej samej grubości).

W takim systemie reakcja BZ jest ograniczona tylko do żelu (co widać na kolejnym filmiku poniżej). Jeśli w dodatku rozmiar żelu jest odpowiednio mały, oprócz zmian koloru, wynikających tutaj oczywiście ze zmiany stanu utlenienie indykatora, zaobserwować można zmiany w rozmiarach samego żelu – oznacza to, że reakcja BZ jest w jakiś sposób sprzężona ze strukturą polimeru powodując jego kurczenie i rozkurczanie!

Autorzy pracy sugerują, że te właściwości takiego żelowego systemu mogą być wykorzystane w przyszłości do konstrukcji różnego rodzaju czujników oraz err… urządzeń wykonawczych (z braku lepszego określenia, chociaż ja jednak wolę angielskie słowo actuator).

Na koniec kolejny przykład zastosowanie reakcji BZ – chociaż w tym przypadku nie znalazłem jeszcze żadnych publikacji, co tłumaczyć można tym, że ten arcyinteresujący i do tego, jak to się dzisiaj mówi, cutting edge projekt ruszył dopiero w zeszłym roku, więc pewnie żadnych widocznych efektów się nie doczekamy conajmniej do końca 2011… Niemniej zachęcam do wczytania się w notkę z serwisu BBC: mówiąc w skrócie, badacze (jest współpraca pomiędzy kilkoma uczelniami europejskimi) pracują w ramach tego nowego projektu nad stworzeniem komputera chemicznego, który miałby naśladować sieci neuronowe.

Komputer ten miałby być zbudowany na bazie sztucznych komórek, których wnętrze byłoby środowiskiem stworzonym tak, aby mogła w nim zachodzić reakcja BZ. Do zapoczątkowania tej reakcji musi jednak być przekroczone pewne progowe stężenie bromianu. Każdy sygnał docierający do takiej komórki byłby tylko przekazywany dalej po uruchomienia reakcji BZ – czyniąc z niej odpowiednik potencjału progowego w komórkach nerwowych. Jaki jednak dokładnie byłby mechanizm tego – na odpowiedź na to pytanie będziemy musieli jeszcze trochę poczekać…

Chen, I., Kuksenok, O., Yashin, V., Moslin, R., Balazs, A., & Van Vliet, K. (2011). Shape- and size-dependent patterns in self-oscillating polymer gels Soft Matter DOI: 10.1039/C0SM01007C