多反饋反應-擴散體系中複雜時空斑圖的系統設計

項目摘要

非平衡態非線性反應-擴散體系中的時空斑圖是科學研究前沿領域和熱點。簡單的時空斑圖（如前沿波、脈衝波、螺旋波、Turing穩態斑圖）的設計只需要反應介質具有正反饋過程或正負反饋構成單眼饋迴路，調節二組分的相對時空尺度（擴散）研究其失穩動力學；而複雜疊加時空斑圖（如波包、駐波、反射波、孤子波、超靶螺旋波、線缺陷和Fibonacci序列螺旋波）的設計則需要多正負反饋多組分的反應介質。本課題通過正負反饋模組組裝多反饋反應-擴散體系，在開放斑圖反應器中控制反應狀態和相對擴散係數設計複雜時空斑圖，結合機理模擬和理論分析，研究不同複雜斑圖之間轉變、形成條件及其控制。該研究是對化學時空斑圖的基礎問題進一步深入，同時有助於認識和理解自然界和生物發育的精緻結構（如岩石、貝殼和植物葉序）。

結題摘要

多反饋反應-擴散體系動力學是產生複雜時空斑圖的重要途徑。本課題開展對多反饋動力學的模擬與分析、多反饋時空斑圖的設計與探索和多反饋反應機理研究，取得了以下進展：①在三變數動力學模型分析中獲得振幅調製波，如超靶波和超螺旋波、波的手性轉換和空間相干與不相干共存的Chimera結構；②設計多反饋化學反應與電化學反應體系，在IO3--S2O32--SO32-體系獲得pH波、I2波及相互疊加結構，發現了從脈衝波、帶波、迷宮波向六角形點波的轉變現象。在硫化鈉電氧化反應體系，在電位正反饋，極限擴散和吸附二負反饋起作用時，獲得了混合模式振盪、迷宮波、波疊加和閃爍波等時空斑圖；③擴散本身和軟物質回響性可以改變反應局部動力學，反饋於斑圖形成，在BZ反應擴散流入反應體系獲得倍周期分岔的多長度展波，在軟物質-光回響反應體系實現了膠體的向光運動和避光動力；④在多反饋反應機理研究方面，OX-S(-II)反應體系中已報導具有複雜振盪和混沌現象存在三個反饋以上的機理，我們在實現硫價態變化直接追蹤基礎上，得到新的正反饋即HSO3-自催化。從以上研究中得到以下結論，斑圖結構決定於局部動力學，局部動力學決定於反饋機制。當多反饋存在時，產生的局部複雜動力學振盪和混沌造成各種複雜調製斑圖結構，如線缺陷、超結構、疊加波和時空湍流，同時擴散和力學本身也具有反饋改變局部動力學性質，從而引起時空斑圖的結構變化。本課題已在國際主流刊物發表論文22篇，其中部分成果在 (2013/7/31) 亮點報導和JPC-letters中LiveSlides展示，並申請發明專利3個。2013/7/31

多反饋反應-擴散體系中複雜時空斑圖的系統設計

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