áLLANDó ELEKTROMOS ERőTéR áLTAL INDUKáLT
MINTáZATKéPZőDéS

Szerző: VIRÁNYI Zsanett V. évfolyam

Témavezetők: Dr. TÓTH Ágota egyetemi adjunktus,
Dr. HORVÁTH Dezső egyetemi adjunktus

Intézmény: Szegedi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Fizikai Kémiai Tanszék

A sík kémiai front, mely egy autokatalitikus reakció tér-és időbeli lejátszódása, konvekciómentes közegben elveszítheti planáris jellegét és térben változó, cellás szerkezet jöhet létre, ha a reaktáns fluxusa jelentősebb a termékéhez képest. Az autokatalizátor részleges, immobilis, reverzibilis megkötésével vagy ionok közti reakcióban a vándorlási sebességek növelésével a kívánt fluxuskülönbség elérhető.

A klorition és a tetrationátion közti reakció savkatalizált, ahol a hidrogénionok karboxilátionokkal való részleges megkötésevel a síkfront destabilizálható. Mivel a reakcióban ionok vesznek részt, a front sebessége és szerkezete befolyásolható elektromos erőtér alkalmazásával. A dolgozat témája annak numerikus és kísérleti vizsgálata, hogy az állandó elektromos erőtér milyen hatással van a mintázatképződésre savkatalizált reakcióban.

A rendszert leíró differenciálegyenleteket felírva és numerikusan megoldva megmutattuk, hogy megfelelő irányú elektromos erőtér alkalmazásával kívánt mintázat(síkfront vagy cellás szerkezet) stabilizálható.

Kísérleteinket nátrium-metakrilát tartalmú poliakrilamid gélben hajtottuk végre, amellyel biztosítottuk a konvekciómentes közeget, és a gél nátrium-metakrilát tartalmának változtatásával kialakítottuk a kívánt mintázatot. Az állandó elektromos erőteret nagy ionerősség alkalmazásával értük el. A gélt plexiből készült cellába helyeztük, és platinadrótok mentén elektrolízissel síkfrontot indítottunk, majd a megfelelő térerő alkalmazása mellett a front változását számítógép által vezérelt képfeldolgozó rendszerrel rögzítettük. A kísérletekben a modellszámításokkal jó összhangban a kívánt mintázatok alakultak ki.

Kulcsszavak: mintázatképződés, kémiai front, savkatalizált reakció, elektromos erőtér

PATTERN FORMATION INDUCED BY A CONSTANT ELECTRIC FIELD

Author: Zsanett VIRÁNYI 5th year undergraduate student

Supervisors: Dr Ágota TÓTH assistant professor,
Dr Dezső HORVÁTH assistant professor

Institution: Department of Physical Chemistry, University of Szeged, Szeged

Planar chemical fronts arise from the spatiotemporal coupling of an autocatalyzed reaction. If the flux of the reactant is greater than that of the product, planar fronts may lose stability leading to cellular structures. The required difference between the flux of the reactant and the autocatalyst may be achieved by partial reversible immobilization of the autocatalyst or by separating the ionic species involved.

The chlorite oxidation of tetrathionate ions is an acid-catalyzed reaction where planar fronts can be destabilized with partial binding of hydrogen ions to immobile carboxylate ions. Since the reaction involves ionic species, the pattern formation is strongly influenced by an externally applied electric field. This project is a numerical and experimental investigation of the effect of a constant electric field on planar fronts in an acid-catalyzed reaction.

Partial differential equations of the system were solved numerically and it was shown that any pattern (planar front or cellular structure) can be stabilized with an appropriate electric field.

The experiments were carried out in polyacrilamide hydrogel with varying sodium methacrylate content, to ensure the convection-free environment and to set the appropriate immobilization of hydrogen ions. High ionic strength was used to establish the costant electric field. The gel was placed between two plexi plates and the planar front was initiated electrochemically then the required electric field was applied. The propagation of fronts were monitored with a computer-controlled camera and processed using standard imaging techniques.

The results of the experiments are in good agreement with that of the numerical modeling study.

Keywords: pattern formation, chemical front, acid-catalyzed reaction, electric field