Gymnázium Jana Nerudy
Závěrečná práce studentského projektu
Briggs – Rauscherova oscilace
Vypracovali: Daniel Černý Michal Růžička Petr Sezemský Sebastian Trapl
2014
Evropský sociální fond Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti 1
Struktura práce 1. Prohlášení o autentičnosti 2. Abstrakt 3. Úvod 4. Teorie 4.1 Členění 4.2 Průběh 5. Umění 6. Kybernetika 6.1 Chemické počítače 6.2 Princip fungování 6.3 Biologické využití 7. Perpetuum mobile 7.1 Perpetuum mobile I. druhu 7.1.1 Proč ne? 7.2 Perpetuum mobile II. druhu 7.2.2 Proč ne? 7.3 "Perpetuum mobile" 8. Historie 8.1 Životopis (y) 8. 2 Historie reakce 9. Závěr
2
1. Prohlášení o autentičnosti
Prohlašujeme, že jsme práci vypracovali samostatně a výhradně s použitím uvedených zdrojů a literatury.
Podepsáni: Daniel Černý
Michal Růžička
Petr Sezemský
Sebastian Trapl
3
2. Abstrakt, Abstract V rámci řešení studentského projektu OPPA jsme se zabývali Briggs-Rauscherovými oscilačními systémy. Tyto netradiční chemické oscilátory přitahují značnou pozornost, přestože jejich korektní vysvětlení a matematicko-fyzikální zdůvodnění dalece přesahuje rámec běžné chemie. Z tohoto důvodu se studentská práce zabývá daným tématem zejména v teoretické rovině. Práce pokrývá obecné mechanizmy oscilujících systémů. Pozornost je dále věnována jejich historii, využití ve vědě, umění i kybernetice a dále je tento fenomén dán do souvislosti s perpetuum mobile.
Abstract In the frame of our student’s project we were focused on the Briggs-Rauscher’s oscillating systems. These curious chemical oscilators are of scientific interest, despite the fact that their correct explanation and the mathematical-physical elucidation are extremely complicated. Therefore, the student’s project covers this interesting topic mainly from the theoretical point of view. Fundamental mechanims, history, application in science, arts, and cybernetics are described. Finally, this unique phenomenon is discussed in relation to the concept of perpetuum mobile.
4
3. Úvod Tématem naší seminární práce v rámci projektu OPPA byly Briggs-Raucherovy (BR) reakce. Tyto reakční systémy nejsou do současné doby plně prozkoumány. Princip je znám, avšak korektní matematické vyjádření vyžaduje profesionální matematický software a dalece přesahuje rámec běžných znalostí. Cílem naší práce bylo podat zevrubnou rešerši oscilujících systémů a uvést jejich praktické využití, které je v současnosti v počátcích svého vývoje. Seminární práce pokrývá jak umělecké využití BR oscilačních systémů, tak jejich aplikace v lékařské praxi a kybernetice. Zásadní výhodou využití v kybernetice by mohla být schopnost automatické regenerace počítačů.
5
4. Teorie Termín oscilace vyjadřuje v přírodních vědách cyklický děj. Charakter tohoto děje můžeme pozorovat při praktickém provedení Briggs-Rauscherovy oscilace. Původně čirá kapalina mění barvu na tmavě modro-fialovou. Tento fenomén je zapříčiněn inkluzí trijodidových aniontů do struktury škrobu (konkrétně lineární amylosy). Reakce se skládá ze čtyř částí. Radikálový mechanismus (1), bezradikálový mechanismus (4), "doplňková" reakce prvního typu (2) a "doplňková" reakce druhého typu (3). Reakce je vyjádřena touto souhrnnou rovnicí: IO3- + 2 H2O2 + CH2(COOH)2 + H+ → ICH(COOH)2 + 2 O2 + 3 H2O Tato podoba však vyjadřuje pouze spojení dvou dílčích reakcí (viz Obr. č. 1): IO3- + 2 H2O2 + H+ → HIO + 2 O2 + 2 H2O (ze schématu r. (1) , (4) ) HIO + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + H2O (ze schématu r. (2) )
1
4.1 Členění Radikálový mechanismus (1) -> Rychlý a pro svůj volný průběh potřebuje nižší množství jodových
aniontů. Produkt: HIO
Bezradikálový mechanismus (4) -> Pomalý a pro svůj volný průběh potřebuje vyšší množství jodových
aniontů. Produkt: HIO
"Doplňková" reakce (2) - dominance (1) -> Spotřebovává HIO pomaleji, než je vytvářena - dominance (4) -> Spotřebovává HIO rychleji, jež je vytvářena "Doplňková" reakce (3) -> Redukuje HIO peroxidem vodíku na I-
6
1, 2
Obr. č. 1: Schéma Briggs-Rauscherovy oscilace
4.2 Průběh Mezi (1) a (4) reakcí může probíhat pouze jedna, potažmo pouze jedna může být dominantní. Principem je radikálový mechanismus, jehož produkt HIO (kyselina jodná) stále přibývá, jelikož není dostatečně rychle spotřebováván doplňkovou reakcí. Ihned, jakmile v tomto cyklu není spotřebovávána kyselina jodná, tak se redukuje peroxidem vodíku na jodidový aniont. Jodidové anionty podporují bezradikálovou reakci, a jakmile jich vznikne určitý počet, tak (4) začne být dominantní. Bezradikálový mechanismus tvoří množství HIO, které je spotřebováváno příliš rychle k dlouhému udržení dominance bezradikálového mechanismu. Výsledkem je nižší množství jodidových aniontů, (4) nemá výchozí látky, ztratí svoji dominanci, čímž převládne radikálový mechanizmus a celý cyklus probíhá znovu, dokud má dostatek energie.
1, 2
Původní záznam Briggs-Rauscherovy oscilace je zobrazen na Obr. č. 2.
Obr. č. 2:Původní záznam Briggs-Rauscherovy oscilace
7
5. Umění Na poli umění prosadil oscilace zejména Antony Hall. Narodil se ve Velké Británii v roce 1979.
V roce
Manchester
2002
dostudoval
Metropolitan.
Vzhledem
univerzitu k
jeho
nespornému talentu, jsou jeho projekty dotovány fondy Arts Catalyst London, Creative partnerships, CARA (Creativity action research awards) a Arts Council England.4 Příkladem jeho tvorby je dílo s názvem „Experiments With Soap Bubbles“ což se překládá jako „experiment s mýdlovými bublinami“ (viz Obr. č. 4) Obr. č. 3 : Autoportrét Antonyho Halla
Obr.č. 4: Experiments 8 With Soap Bubbles
5
3
Obrázek č. 5: BZ reakce 6
V některých dalších dílech používá Hall princip BZ reakce. Do Petriho misky dá potřebné chemikálie. Když reakce započne, Hall pomocí jehly naruší přirozený průběh, čímž vznikají netradiční obrazce. Obrázek č. 4 je jediný, přirozeně běžící proces bez zásahu autora.
Obrázek č. 5: BZ reakce – Hall 7
Obrázek č. 7: BZ reakce – Hall
Obrázek č. 6: BZ reakce – Hall 8
9
9
6. Kybernetika Využití této reakce je zatím spíše v teoretické rovině, ale vědci začali zkoumat možné využití BZ reakce v souvislosti s chemickými počítači, inteligentními léky, molekulárními roboty nebo při poznávání biologických procesů vyšších organismů.
6.1 Chemické počítače Tyto počítače objevující se také pod názvem wet computers jsou možnou budoucností dalšího vývoje informačních technologií. V současné době probíhá mezinárodní program financovaný Evropskou unií, který má trvat tři roky. Jeho cílem je učinit nějaký pokrok na poli chemických technologií. Jedním ze středisek, ve kterých probíhá je Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, a to pod vedením doc. Ing Františka Štěpánka Ph.D. z laboratoře chemické robotiky. Ten říká, že pokud chceme vytvořit počítače podobné svou výkonností a složitostí lidskému mozku, vsázím na to, že chemické technologii jsou největším adeptem.
Podle výzkumníků není prvotním cílem vytvořit lepší počítače, než jsou v současné době dostupné, ale spíš vyvinutí technologií, které by mohly působit v oblastech, kde současné informační technologie nenabízejí řešení. Jedná se například o ovládání molekulárních robotů, samo skládací materiály nebo o oblast inteligentních léků, které využívají signály lidského těla k tomu, aby rozpoznali, kde je narušeno, a tam na základě lokálního biochemického stavu účinně zapůsobily.
10
6.2 Princip fungování Jedná se o síť vytvořenou z buněk. Tyto buňky mají schopnost samovolně formovat svůj povrch což je vlastnost, která se vyskytuje i u membrán lidských buněk. Také využívají chemický proces k tomu, aby dokázaly provést zpracovaní signálu, a to stejně jako neurony.
V současné době jsou dvě možná řešení, která se zkoumají, zda by se dala využít.
1.
Buňky obklopeny membránou z lipidů, které se samovolně stahují okolo tekutého
vnitřku buněk. Podle výzkumů, když do sebe narazí dvě takové buňky, tak mezi nimi protein vytvoří průchod, kterým můžou projít molekuly nesoucí nějaký signál.
2.
Nitro buňky je hostitelem BZ chemické reakce. Tato reakce bude iniciována pouhou
změnou koncentrace bromu. Po překročení hraniční hodnoty začne probíhat.
To co dělá tuto reakci vhodnou k využití je zvláštní vlastnost, která se u ní vyskytuje. Poté co buňka obdrží chemický signál, vstoupí do refraktorní fáze, během níž na ní nepůsobí žádné další chemické signály a tím nedochází k nekontrolovatelnému šíření signálu skrze jakoukoli napojenou buňku. Díky tomuto soběstačnému systému se dostáváme k paralele s neurony.
Obr. č. 8: Fotka nervové buňky10
11
Základní podstatou neuronu je to, že neuron má schopnost se vybudit. To znamená, že když přijme signál, dokáže také vytvořit energii dostatečnou na to, aby ho dokázal vyslat dále.
Taková propagace signálu společně s refraktorní fází, která udrží signál jen v rámci určitých buněk, znamená, že buňky mohou vytvořit síť fungující jako mozek.
Výhodou takových počítačů je například možnost šíření informace všemi směry a ne jen po vytvořených pevných drahách a tím bude přenos informací (signálů) rychlejší. Na rozdíl od tradičního hardwaru, který může být jednoduše zničen například zanesením částicemi, chemické počítače budou více stabilní a odolnější. Protože BZ reakce probíhá podle nelineární termodynamiky, bude se energie měnit podle potřeby počítače nebo uživatele a tím budou i více efektivní. V neposlední řadě stojí za zmínku to, že díky menším nárokům na výrobu ve sterilním prostředí budou náklady menší a samotná výroba rychlejší a snazší.
6.3 Biologické využití Bělousovovo-Žabotinského reakci se podařilo objevit i v přírodě. Hlenka Dictyostelium discoideum je využívána jako modelový organismus, protože při agregační fázi vznikají obrazce podobné obrazcům vznikajícím při BZ reakci. Pokud bychom dokázali pochopit pochody odehrávající se u hlenky Dictyostelium discoideum, můžeme lépe porozumět i pochodům u vyšších organismů.11
12
7. Perpetuum mobile První náčrtky tohoto stroje pochází z roku 1150 z Indie, v Evropě se objevil přibližně o sto let později ve Francii. Tento stroj uchvátil většinu velkých myslitelů, které dnes známe, včetně Leonarda da Vinciho, Jana Ámose Komenského i Alberta Einsteina a tak dále. V této práci je zmíněno právě proto, protože oscilace jakéhokoliv typu byly při jejich objevení považovány za chemickou verzi onoho zařízení, tím pádem byly však vždy veřejností zatracovány pro svoji nepravděpodobnost. Tato podezřívavost přetrvává i v současnosti, kdy se patentové úřady USA řídí v první řadě fyzickými zákony a takováto zařízení okamžitě odmítá. Stále je však možné patent získat při formálním přezkoušení, tento postup je však náročnější a Obr. č. 9:model arabského Perpetuum mobile13
táhlejší než obvykle.
Perpetuum mobile v latinském originálu znamená neustále v pohybu. Teoreticky se jedná o zařízení, které tvoří více energie, než je mu dodáváno. V současné době rozlišujeme dva oficiální typy, pojmenované podle termodynamických zákonů, které porušují12-14. 7.1 Perpetuum mobile I. druhu Jedná se o stroj, který se neustále pohybuje/tvoří práci aniž by využíval, či potřeboval energii vnějších zdrojů.
13
7.1.1 Proč ne? První termodynamický zákon neboli zákon o zachování energie určuje, že celková energie izolované soustavy je neměnná. To prakticky znamená, že v izolované soustavě nemůže samovolně vznikat energie, je 13
však možné jí přeměnit na jiný typ (př.: mechanická na teplo apod.). V realitě toto perpetuum vydává maximálně tolik energie, kolik jí spotřebovává. Spotřebovávaná energie nám však narůstá působením našeho časoprostoru, které se projevuje například jako postupné zvyšování tření.
15
7.2 Perpetuum mobile II. druhu Jedná se o stroj, který se neustále pohybuje/tvoří práci za využití vnitřního zdroje energie, čímž mění jeden typ energie na druhou. 13
7.2.2 Proč ne? Druhý
termodynamický
zákon
je
empirický a popsán více způsoby. Pro tuto práci jsem si vybral W. Thomsonovu a Planckovu formulaci, která udává, že nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by trvale konal práci pouze tím, že by ochlazoval jedno těleso a k žádné další změně v okolí by nedocházelo.
Obr. č. 10:model magnetického Perpetuum mobile15
Tato formulace se opírá o fakt, že každý známý druh energie dokážeme přeměnit na teplo, teplo ale na ostatní typy energie měníme pouze se zbytkem.
16
7.3 "Perpetuum mobile" Tento typ uvádím v uvozovkách, jelikož se ve skutečnosti nejedná o skutečné perpetuum, pouze o přístroje, které se jsou schopné velice dlouho pohybovat, aniž by jim zdánlivě byla dodávána energie, všechna jsou však v souladu s termodynamickými zákony. Energii získávají skrze malé změny mikroklimatu v místnosti.
14
17
8. Historie 8.1 Životopis (y) Autory vůbec první reakce byli Boris Pavlovich Bělousov a Anatolij M. Žabotinskij. Boris Pavlovich Bělousov se narodil 19. Února 1893. Jelikož jeho rodina měla velmi striktní proticarské názory, byla po Ruské revoluci 1905 vyhoštěna a přestěhovala se do Švýcarského Curychu, kde Bělousov studoval chemii. Na začátku první světové války se vrátili zpět do Ruska. Boris zkoušel narukovat do armády, kde ho ovšem kvůli obtížím nevzali. Vzal tedy práci
Obr. č. 11 portréty Bělousova a Žabotinského
ve vojenské laboratoři, kde se setkal s V. N. Ipatieffem, který se zabýval ropným průmyslem. Po válce vzal práci v ministerské laboratoři biofyziky, kde pracoval jako toxikolog. Když hledal analog k citrátovému cyklu, podařilo se mu náhodou objevit oscilační reakci. Po dobu šesti let se pokoušel článek vydat, pokaždé mu ho ale zamítli se slovy ‚‚nemožné‘‘. Až po nějaké době, biochemik Schnoll se ujmul jeho výzkumu, a předal ho absolventovi Anatolu Žabotinskému, který celý výzkum dotáhl dokonce. 8. 2 Historie reakce V letech 1950 Bělousov sepsal tento jev. Směs nejrůznějších látek způsobila, že výsledná kapalina začala oscilovat (např. Bromičnan draselný, kyselina citronová nebo kyselina malonová atd.) Reakce byla dlouho skrývána veřejnosti, jelikož sovětské noviny odmítali Obr. č.12 - Časový průběh reakce
15
jeho články, protože neměl dostatek důkazů na ospravedlnění této reakce. V roce 1961 tuto reakci vylepšil Anatol Žabotinský, ale ani přes jeho snahu se článek nemohl publikovat. Až na konferenci v Praze v roce 1968 se svět dozvěděl o tomto výzkumu. Poté co byla reakce publikována, se o ní dozvěděli dva studenti na akademii v San Francisku. Objevili Briggs – Rauscherovu reakci na základě výměny bromičných iontů za jodidové aniony, ke kterým přidali peroxid vodíku a škrob. Tato strhující reakce vyvolala mnoho ohlasů ve světě a začala se více zkoumat.
Obr. č.13 – Počítačová simulace
9. Závěr Na počátku práce jsme byli tímto tématem značně nejistí. Nejprve nás fascinovala vizuální podoba, ale to na patnácti stránkovou práci nestačí. Ale tato zdánlivě v praxi nepoužitelná oscilační reakce se ukázala být zřídlem příležitosti. Objevili jsme mnoho možných využití od umělecké sféry, po tu nejsofistikovanější technologii. Práci hodnotíme jako plnou zvratů, výsledky nás ale překvapily a potěšily.
16
Použité zdroje: 1 Mgr. Jiří Vozka - Kapitola: Kuriozity - Oscilační reakce podle Briggse a Rauschera 2 http://www.hp-gramatke.net/perpetuum/english/page0020.htm 3 http://cs.wikipedia.org/wiki/Druh%C3%BD_termodynamick%C3%BD_z%C3%A1kon 4 http://nelterm.kof.zcu.cz/chemie/oscilace/oscilace.htm 5 http://cs.wikipedia.org/wiki/Prvn%C3%AD_termodynamick%C3%BD_z%C3%A1kon 6 http://fyzsem.fjfi.cvut.cz/2002-2003/Zima02/proc/pmobile.pdf 7 http://cs.wikipedia.org/wiki/Perpetuum_mobile#cite_note-1 8 http://www.turbosquid.com/3d-models/perpetuum-mobile-3d-model/698562 9 http://en.wikipedia.org/wiki/File:B-ROscGraph2.jpg 10 http://2.bp.blogspot.com/mmh8HV9BCsE/ULUqNyT4wyI/AAAAAAAAAaI/q0q6zAX5lIw/s1600/MM-EXP21.png 11 http://assets.dwell.com/sites/default/files/styles/large/public/2012/11/01/antony-hallportrait-square.jpg?itok=c7eABqcm 17.4.2014 06:15 12 - http://www.castlefieldgallery.co.uk/wpcontent/uploads/old_site//EventPics/88/4/FullSize/wet-thick01-web-res.jpg 13 http://festivalenter.cz/2007/index.php?lang=cz&node=110&id=36&act=desc&item=34&wb=aW5kZXguc GhwP2xhbmc9Y3ombm9kZT0xMTAmYWN0PWRldGFydCZpZD0zNg== 17.4.2014 06:06 14 http://www.antonyhall.net/images/bz/1183389894_67212c74e3.jpg 17.4.2014 15:21 15 http://www.antonyhall.net/images/bz/bz-th/Thumbnails/3.jpg 17.4.2014 15:42 16 http://www.antonyhall.net/images/bz/bz-th/Thumbnails/2.jpg 17.4.2014 14:15 17 http://i1.ytimg.com/vi/3JAqrRnKFHo/maxresdefault.jpg 17.4.2014 06:07 18 http://en.wikipedia.org/wiki/Belousov-Zhabotinsky_reaction 19 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bzr_fotos.jpg 20 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/The_BelousovZhabotinsky_Raction.gif 21 http://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction 22 http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8452196.stm 23 http://www.wisegeek.com/what-is-a-chemical-computer.htm 24 http://www.popsci.com/technology/article/2010-01/wet-computer-literally-simultes-braincells dom=PSC&loc=recent&lnk=1&con=wet-computer-literally-simulates-brain-cells 25 http://cs.wikipedia.org/wiki/Dictyostelium_discoideum
17
