Chimica del flusso autocatalitico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9211 (2023) Citare questo articolo

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L’autocatalisi è un processo cruciale di auto-organizzazione di non equilibrio in natura e si presume svolga un ruolo nell’origine della vita. I fenomeni dinamici essenziali di una rete di reazioni autocatalitiche sono la bistabilità e lo sviluppo di un fronte di propagazione quando combinato con la diffusione. La presenza di movimento di fluidi sfusi può ampliare la gamma di comportamenti emergenti in tali sistemi. Molti aspetti della dinamica delle reazioni autocatalitiche in flusso continuo sono già stati studiati, in particolare la forma e la dinamica del fronte chimico e l'influenza delle reazioni chimiche sulle instabilità idrodinamiche. Questo articolo si propone di fornire prove sperimentali della bistabilità e dei fenomeni dinamici correlati, come eccitabilità e oscillazioni, nelle reazioni autocatalitiche eseguite in un reattore a flusso tubolare, dove il flusso è laminare e l'avvezione è il processo di trasporto dominante. Mostriamo che la rampa temporale di residenza lineare può comportare la comparsa simultanea di diversi stati dinamici lungo la lunghezza del tubo. Pertanto, i reattori tubolari lunghi offrono un’opportunità unica per esplorare rapidamente la dinamica delle reti di reazione. Questi risultati migliorano la nostra comprensione della chimica del flusso non lineare e del suo ruolo nella formazione di modelli naturali.

L'autocatalisi compare nelle reazioni di piccole molecole, macromolecole e a livello supramolecolare1,2 ed è al centro della chimica della vita3. La replicazione e la crescita esponenziale causate dalle reti autocatalitiche sono processi naturali essenziali di auto-organizzazione dal livello molecolare a quello della popolazione. Le caratteristiche universali dei processi autocatalitici collegano intrinsecamente queste aree distanti. Al di là delle dinamiche temporali, possono apparire modelli spaziotemporali convincenti quando i processi di trasporto sono combinati con reti autocatalitiche. Sia la diffusione, un processo di trasporto a livello molecolare, sia il movimento del fluido, l'avvezione, possono svolgere un ruolo costruttivo nello sviluppo di questi fenomeni. I modelli di Turing sono un esempio emblematico in cui l'autocatalisi combinata con feedback negativo e diffusione differenziale produce modelli auto-organizzati4.

Proprietà rilevanti delle reti pH-autocatalitiche: curva sigmoidale pH rispetto al tempo in batch (a), bistabilità in un CSTR (b) e fronte allungato in flusso laminare avverso (c). Schizzo del reattore a flusso con un diametro del tubo di 1 mm utilizzato negli esperimenti (d).

Bistabilità nel reattore a flusso nella reazione clorito-tetrationato (a). Il colore scuro corrisponde al pH alto e il colore chiaro al pH basso. Il grafico spazio-temporale rappresenta la dinamica spazio-temporale al centro del reattore (b). La dinamica locale rappresentativa è mostrata al centro dei canali 1 e 20 (c). La stabilità del flusso viene seguita all'ingresso dell'unità di miscelazione, dove un picco denota un riflusso (d). Diagramma della stabilità degli stati (F e T) lungo il tubo (e). Condizioni sperimentali: \([\hbox {ClO}_{2}^-]_0\) = 19 mM, \([\hbox {S}_{4}\hbox {O}_{6}^{2- }]_0\) = 5 mM, \(\left[ {{\text{H}}_{2} {\text{SO}}_{4} } \right]_{0}\) = 0,6 mM , \(v_0\) = 96 mL/h, u= 3,4 cm/s, T= 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).

Eccitabilità nel reattore a flusso nella reazione bromato-solfito (a). Il colore scuro corrisponde al pH alto e il colore chiaro al pH basso. Il grafico spazio-temporale rappresenta la dinamica spazio-temporale al centro del reattore (b). La dinamica locale rappresentativa è mostrata al centro dei canali 1, 3 e 22 (c). La stabilità del flusso viene seguita all'ingresso dell'unità di miscelazione, dove un picco denota un riflusso (d). Profili rappresentativi dei due diversi fronti (e). Condizioni sperimentali: \([\hbox {BrO}_{3}^{-}]_0\) = 30 mM, \([\hbox {SO}_{3}^{2-}]_0\) = 60 mM, \([\hbox {H}_{2}\hbox {SO}_{4}]_0\) = 5 mM, \(v_0\) = 40 mL/h, u= 1,4 cm/s, T = 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).