Диссипативные структуры

Диссипативные структуры Диссипативные структуры

Помните богатыря из старинных русских былин, который то и дело встречает придорожный камень, гарантирующий ему разные неприятности, пойдет ли он направо, налево или продолжит путь прямо? Или главного героя рассказа О. Генри «Дороги судьбы», который решает изменить свою жизнь и уходит из родной деревни? «Три лье через туманную, залитую лунным светом равнину тянулась дорога, прямая, как борозда, проведенная плугом пахаря. В деревне считали, что дорога ведет, по крайней мере, в Париж; шагая по ней, молодой поэт не раз шептал про себя это слово. Никогда еще Давид не уходил так далеко от Вернуа. Итак, три лье тянулась дорога и вдруг озадачила его. Поперек ее пролегла другая дорога, большая и торная. Давид постоял в раздумье и...». Далее автор описывает три варианта развития жизни Давида, в зависимости от того, какую дорогу он выбирает.

С точки зрения ученого, момент, когда Давид подошел к пересекающей его путь дороге, а богатырь — к камню на перепутье, можно назвать точкой бифуркации. Иначе говоря, в этот момент вместо одного устойчивого пути развития их судеб, как раньше, до разветвления дороги, появилось несколько.

Выбор альтернативного направления дальнейшей эволюции физико-химической системы осуществляется ею самой за счет случайных флуктуации — всплесков параметров, «толчков», «встряски». Флуктуации могут усиливаться необратимыми диссипативными процессами и приводить к возникновению новых упорядоченных пространственно-временных структур, которые называют диссипативными, в отличие от равновесных структур, например кристаллов. Речь идет об устойчивом состоянии, возникающем в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне (или уходит) в открытую систему.

Классическим примером диссипативной структуры может служить структурирование жидкости под действием температурного градиента в виде ячеек Бенара. Они появляются, когда разность температур в плоскостях, ограничивающих слой жидкой фазы, превышает некоторое критическое значение, и беспорядочное движение молекул сменяется самосогласованным. Для демонстрации ячеек Бенара достаточно иметь сковороду, немного масла и какой-нибудь мелкий порошок (например, тальк или муку), чтобы было заметно движение жидкости. Если дно сковороды плоское и нагревается равномерно, то можно считать, что у дна и на поверхности поддерживаются постоянные температуры. Пока разность температур невелика, частички порошка неподвижны, а следовательно, неподвижна и жидкость. С ростом разности температур выше определенного предела возникают конвективные потоки (нагретая «донная» жидкость поднимается вверх, охлажденная на поверхности жидкость опускается вниз), которые закручивают взвесь частиц в лево- и правовращающиеся ролики (причем только единственная флуктуация в точке «закручивания» определяет ту ли иную последовательность вращений роликов!). Сверху становится видно, что вся среда разбивается на правильные шестигранные ячейки, целиком покрывающие поверхность — ячейки Бенара. Аналогична и природа узоров, возникающих на поверхности горячего кофе или чая.

Самый известный пример самоорганизации в гомогенных химических системах — это колебательные реакции, среди которых выделяют, прежде всего, реакцию Белоусова-Жаботинского: процесс окисления лимонной (или малоновой) кислоты бромитом калия в присутствии катализатора сульфата церия (III). Происходящие в системе процессы можно наблюдать визуально благодаря индикатору ферроину, придающему раствору голубую окраску при избытке Се3+ и красную — при избытке Се4+. Ритмическая смена окраски с идеальным периодом и амплитудой позволяет рассматривать систему как химические часы.

Автоколебательный характер этой реакции наиболее наглядно проявляется в возникновении пространственного упорядочения в этой системе.

Возникновение диссипативных структур является чрезвычайно важным для разработки новых процессов формирования наноструктурированных материалов. Это относится, например, к формированию колец Лизеганга в минералах, шестиугольных кольцеобразных структур из наночастиц золота на гладкой подложке, областей рассеяния света в жидких кристаллах при наличии градиента электрического поля, псевдокристаллов и других иерархически упорядоченных структур, сформированных из трехмерных блоков, уложенных в правильную структуру в потоке питающей жидкости — коллоидного раствора.

Во многих областях науки, прежде всего в химии, физике и биологии, важная роль необратимых процессов получила в настоящее время всеобщее признание. Это произошло во многом благодаря создателю термодинамики сильно неравновесных процессов, лауреату Нобелевской премии по химии бельгийскому ученому российского происхождения И.Р. Пригожину, работы которого во многом определили стиль современного научного мышления. Они позволили с единой точки зрения описать химические, биологические и социальные явления. «Поэт термодинамики» — так называют И.Р. Пригожина за красоту и элегантность его работ.

Нанотехнологии

Читайте в рубрике «Нанотехнологии»:

/ Диссипативные структуры

RuCaptcha - заработай на вводе каптч
Рубрики раздела
Лучшие по просмотрам
Все рубрики