Unsere Forschung

Phänomene an der Schnittstelle zwischen Biologie und Chemie stehen im Mittelpunkt unserer Forschung. Selbstorganisation und Musterbildung sind herausragende Merkmale des Lebendigen. Die komplexen dynamischen Systeme, die wir untersuchen, weisen diese Eigenschaften auf, obwohl sie klassischerweise als noch nicht lebendig angesehen werden. Tatsache ist, dass diese Systeme Teil vieler Organismen sind und zum Beispiel als Schrittmacher oder biologische Uhren fungieren. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, die komplexen Wechselwirkungen und Prozesse, die in dieser Art von komplexen Systemen ablaufen im größeren Kontext zu verstehen. Wir hoffen damit einen ganzheitlicheren Zugang zu den Phänomenen des Lebendigen zu bekommen. Im Folgenden stellen wir unsere Forschung vor und geben einen detaillierten Einblick in die Phänomene, mit denen wir uns beschäftigen. Am Ende finden Sie eine vollständige Liste aller Publikationen, Posterbeiträge und Vorträge, die von unserem Institut durchgeführt wurden (hier geht es direkt dorthin).

Auftreten von Spiralwellen in einem biologischen (siehe: Loose et al., 2008) wie auch in einem chemischen System (aus: Philippe Plailly/Science Photo Library)

Vorübergehendes Chaos in einem chemischen Oszillator

Auswirkungen einer begrenzten Rührphase auf den Übergang von Ordnung zu Chaos

Wir entdeckten, dass die chaotische Phase durch eine begrenzte Rührphase von typischerweise einer halben bis einer Stunde Dauer kontrolliert werden kann. Die Auswirkungen des Rührens auf die BZ-Reaktion können neben der reinen Homogenisierung des Systems auch andere Folgen haben. Wir haben das System unter verschiedenen Bedingungen untersucht (wechselnde Abmessungen und Volumen des Becherglases, verschiedene Rührgeschwindigkeiten und -zeiten). Wir haben festgestellt, dass das Rühren zu einem vollständigen Verschwinden der chaotischen Phase führen kann, die im nicht gerührten Fall vorhanden ist. Wir vermuten, dass die Rührzeit die Rolle eines „Bifurkationsparameters“ spielt. Einzelheiten zu dieser Untersuchung finden Sie in dem folgenden Artikel. F. Wodlei, M. R. Hristea. Effect of Limited Stirring on the Belousov Zhabotinsky Reaction. Proceedings of the European Conference on Complex Systems 2012 (September 2013)

Wirkung von begrenztem Rühren. oben: Rührphase von 60 Minuten (Verschwinden der chaotischen Phase); Mitte: Rührphase von 30 Minuten; keine Rührphase.

Periodische Bewegungen in der chaotischen Phase der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Die konvektive Bewegung in der ungerührten Belousov-Zhabotinsky-Reaktion hat einen großen Einfluss auf die chemischen Reaktionen. Wir haben vor kurzem entdeckt, dass während der chaotischen Phase periodische Massenbewegungen in Form von konvektiven Zellen in der Reaktionslösung entstehen. Das Verhalten einer ungerührten BZ-Reaktion in einer Batch-Konfiguration ist komplexer als in ständig gerührten Tankreaktoren oder in Petrischalen. Dies ist auf die komplexe Kopplung zwischen Reaktionskinetik, Konvektion und Diffusion zurückzuführen. In beiden Fällen werden entweder Konvektion und Diffusion oder nur Konvektion unterdrückt. Normalerweise wird eine BZ-Reaktion in einer Batch-Konfiguration in einem Spektralphotometer untersucht, wo mögliche Inhomogenitäten oder konvektive Bewegungen in der Bulk-Lösung nicht zu sehen sind. In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf diese Inhomogenitäten und untersuchten die konvektive Bewegung, die in der chaotischen Phase bei einer ungerührten BZ-Reaktion in einer Küvettenkonfiguration entsteht. Die geordneten konvektiven Zellen, die in bestimmten Küvettengeometrien beobachtet wurden, wurden im Hinblick auf die lokale chemische Kinetik in der Reaktionslösung untersucht. Überraschenderweise stellten wir fest, dass diese geordneten hydrodynamischen Strukturen mit der chaotischen Natur der lokalen chemischen Kinetik korreliert sind. Als erste Erklärung für diesen Zusammenhang nehmen wir an, dass die gebildeten Konvektionszellen zu einer „Entsynchronisierung“ der zuvor homogenen Farbschwingungen führen und das System in eine chaotische Phase übergeht. Mit dem hier vorgestellten einfachen mathematischen Modell konnten wir indirekt die gleichen qualitativen Ergebnisse bestätigen, d.h. dass ein Zusammenhang zwischen chemischem Chaos und hydrodynamischer Ordnung in solchen Systemen besteht. Einzelheiten zu dieser Untersuchung finden Sie in dem folgenden Artikel. Florian Wodlei, Mihnea R. Hristea and Giuseppe Alberti: Periodic Motion in the Chaotic Phase of an Unstirred Ferroin-Catalyzed Belousov Zhabotinsky Reactioni>. Front. Chem., 08 July 2022, Sec. Physical Chemistry and Chemical Physics, 10:881691 (2022)

Konvektionszellen in der speziellen Küvette während der chaotischen Phase. (A-D) zeigen das Vorhandensein von zwei Konvektionszellen (Flüssigkeit bewegt sich in der Mitte nach oben und auf der linken und rechten Seite nach unten). Die Bilder wurden durch Mittelwertbildung über 60 s gewonnen. (E) zeigt die aus den Videodaten extrahierte Zeitreihe, wobei der rote Teil der periodischen Phase entspricht. Die Pfeile zeigen die Zeitpunkte an, zu denen die Bilder (A-D) erstellt wurden (die Spitzen in der Zeitreihe entsprechen dem Durchgang von Blasen). Die Einschübe zeigen die periodische Phase (links) und einen Teil der chaotischen Phase (rechts) vergrößert.

Ein symbol-dynamischer Ansatz zur Charakterisierung der Chaotizität in der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Die Bestimmung des Verhaltens eines Systems durch die Analyse der Dynamik einer oder mehrerer Variablen, die das System im Laufe der Zeit charakterisieren, ist ein kanonischer Ansatz im wissenschaftlichen Kontext. Die Auswertung solcher Zeitreihen basiert auf einer Reihe verschiedener Methoden wie der Berechnung des Lyapunov-Exponenten, der Phasenraumrekonstruktion durch Zeitverzögerung oder der schnellen Fourier-Transformation (FFT) und dem entsprechenden Leistungsspektrum. Jede dieser Methoden hat ihre Grenzen und führt zu mehr oder weniger zuverlässigen Ergebnissen. Für hochkomplexe Systeme, wie z. B. die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion, sind schlüssige Ergebnisse nur schwer zu erhalten. Weder die Transkription von Zeitreihen in Symbolfolgen noch die statistische Analyse dieser Sequenzen ist neu. Neu an unserem Ansatz ist, dass wir nicht nur die topologischen Invarianten betrachten, sondern auch die detaillierten Verteilungen der Häufigkeiten der verschiedenen Wörter, die jeder Zeitreihenfolge entsprechen. Mit diesem Ansatz können wir die verschiedenen Arten von Verhalten, insbesondere das chaotische, genauer beschreiben als mit den oben genannten Methoden. Eine erste Untersuchung zeigte, dass die so genannte chaotische Phase tatsächlich eine Mischung aus chaotischem und geordnetem Verhalten ist. Einzelheiten zu dieser Forschung wurden beim Gordon Research Seminar (GRS) im Sommer 2024 präsentiert (siehe dazu unser Poster) und werden in Kürze veröffentlicht.

Häufigkeitsverteilung der Anzahl der Vorkommen eines bestimmten Wortes in der chaotischen Sequenz der Belousov-Shabotisky-Reaktion in der chaotischen Phase.