トポロジー的に重要な自己触媒反応で、私たちはスマイリーを手に入れました

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ビデオ: YouTube Academy【大学数学・大学物理への招待】トポロジー入門:第0回【なぜ?トポロジーを選んだか?】 2022, 12月
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科学者たちは、異常な波面構成を持つベロウソフ・ジャボチンスキー自己触媒反応の開始を実証しました。媒体の表面では、スマイリーに似たパターンがそこから得られました。これを行うために、著者は渦輪の内側で反対の回転を持つスパイラル波の2つの線形ソースを作成しました。将来、科学者はインターロッキングリングを含むさらに複雑なタイプの構造を作成することを望んでいます-これは医学的に重要なものを含むさまざまな自己波プロセスをモデル化するのに役立つ可能性があります、著者はジャーナルPhysicalReviewLettersに書いています。

分散型エネルギー源(つまり、アクティブ)のある環境では、自励発振プロセスが観察されます。これは、環境自体のパラメーターの周期的な変化です。これは、さまざまな性質の多くの物理的、化学的、または生物学的システムで観察されますが、数学的な観点から、発生するプロセスは同じ方法で説明されます。

自励発振の特徴の1つは、空間と時間で周期的に変化する量の複雑な分布が頻繁に発生することです。特に、血液循環の停止につながる心臓の心室の細動の状態は、細胞膜電位のスパイラル波によって特徴付けられます。他のシステムでは、巻物や渦輪などの3次元構成を含む、さまざまな構成が観察されます。

このような化学現象は、ベロウソフ・ザボチンスキー反応と呼ばれます。このような反応が起こるためには、試薬の適切な組み合わせが必要であり、それは色または濃度の動的な変動の出現につながります。このクラスの反応は比較的単純であり、制御されたアクションの可能性があるため、自励発振プロセスを研究するための主要なツールの1つになりました。

ポール・サトクリフが率いる英国のダラム大学の研究者たちは、ベロウソフ・ザボチンスキー反応の過程を新たなレベルで制御できることを実証しました。彼らは、2つの単純な逆回転スクロール(直線軸に垂直な各セクションで同じ位相のスパイラルのように見える3次元波)が渦輪の内側にある構成をなんとか取得しました。著者らは、結果として得られる自己波フィラメント(線形振動源)のトポロジーをねじリング(スリング)と呼び、ロタキサンのクラスの物質の構造と比較します。

このような構造を作成するために、著者らは、振動をレーザーで制御できる感光性媒体を使用しました。科学者たちは、直径50ミリメートルの容器を使用しました。この容器には、深さ1ミリメートルの必須物質の層が含まれており、作業が2次元に近くなります。使用された革新の1つは、レーザーへの長期暴露によるゲルの線形セクションの光退色でした。外部照明がないこのような場所は波の発生源になりますが、照明がオンのときは、その場所を通る振動の動きに影響を与えず、新しい外乱の出現に影響を与えないことが判明しました。

まず、著者らは同心渦巻波の発生源となる線形垂直欠陥を作成しました。次に、彼らはレーザーパルスを使用して、この円筒波の前部で媒体の厚さのほぼ中央まで反応を停止し、作用のパラメーターが渦輪の出現につながりました。最後の段階で、新しい円筒波の内部が別のレーザー作用によって「切り取られ」、ロールの2つのフィラメントがその外縁に現れ、ねじれの方向が異なるスパイラル波を生成します。結果として得られる外側の構成は、動的な絵文字に似ていました。

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スレッドリングを作成するプロセス

著者らは、両端でリングを貫通する線形フィラメントが媒体の反対側のエッジに隣接し、ギャップを作成せずにリングの外側に配置できないため、結果として得られるねじリングのトポロジーを自明ではないと呼びます。

科学者たちは彼らの研究を数値モデルで補足し、それに新しい効果を発見しました。渦輪が非常に小さく、自励発振波の長さが約2つしかない場合(このようなパラメーターは現在の実験設定では達成できません)、ねじ付き輪は水平面内を移動する必要があります。この場合、線形フィラメントの中心は円を描いて動き始め、この回転の方向は、ねじリング全体の動きの方向に依存します。

著者らは、実験用語をさらに改善することで、これまで誰も達成できなかった自励発振媒体内のフィラメントから本格的なノードを作成できるようになるはずだと述べています。このようなシステムは、無生物と生物の両方の性質において、完全に異なる多くの自然過程に適したモデルであることが判明する可能性があります。

以前、自励発振反応で、彼らは初めて「化学的エコー」に気づき、細胞膜上にタンパク質の「パターン」が形成されるプロセスについても説明しました。

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