Transient Response of the Acid-base Diode for Polarity Change

An application of the so-called acid-base diode would be the sensitive detection of nonhydrogen cations in an acidic medium based on salt-effects. For diode purposes different connecting elements between the acidic and aqueous reservoirs of the diode were developed, namely a polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel cylinder, and a polyvinyl butyral (PVB) membrane. During the measurement of the voltage – current characteristic (VCC) of the diode, it was found, that in the case of PVA gel cylinder an overshoot (a local maximum followed by a local minimum) appeared in the time vs. current curve, while the diode was switched between modes (open or closed), that is the direction of the applied voltage was reversed. The overshoot did not appear in PVB membrane.The existence of overshoots was studied by numerical simulations. The time response of the diode with different hypothetic connecting elements was investigated, when the diode was switched between modes via changing the polarity of applied voltage. We found that larger diffusion coefficients of hydrogen and hydroxide ions explain the appearance of overshoots. By examining the concentration and potential profiles a qualitative explanation of this phenomenon was given

Komplex kémiai rendszerek dinamikája = Dynamics of complex chemical system

Komplex kémia rendszerek nemlineáris dinamikai viselkedését tanulmányoztuk. Új algoritmus dolgoztunk ki és alkalmaztunk sikerrel szulfit alapú pH-oszcillátorok szisztematikus tervezésére. Különleges hőmérséklet-kompenzációs mechanizmusokat találtunk pH-oszcillátorokban és a Bray-reakcióban. Kísérleti AUTO-eljárást dolgoztunk ki elektrokémiai "oszcillátorok" bifurkációs diagramjának kísérleti meghatározására. Új módszert dolgoztunk az elektrokémai oszcillátorok esszenciális dinamikai változójának, a kettősréteg kapacitás időskálájának kísérleti változtatására. A módszer lehetővé teszi az elektrokémia oszcillátorok típusának egyszerű kísérelti meghatározását. Kinetikai kísérletek alapján új mechanizmust javasoltunk az oxálsav szubsztrátumú BZ-reakcióra valamint a malonsav bromátos oxidációjára erősen savas közegben. Igazoltuk, hogy Voronoi-mintázatok képződhetnek csapadékképződéssel járó frontreakciókban. A BZ-reakció Oregonátor-modelljét alkalmazva szimuláltuk a a kémiai információ hullámszerű terjedését az egydimenziós gerjeszthető közegben elhelyezett "rések" sorozatán keresztül. Megmutattuk, hogy hullámok sorozata ún. rezonanciamintázatok szerint terjedhet. Kísérletileg és modelszámításokkal tanulmányoztuk az időfüggő megvilágítás hatását az ún. fényérzékeny BZ-elegy vékony rétegében képződő spirális hulllámok dinamikájára. Megállapítottuk, hogy a szenzoriális terület nagysága és alakja alapvetően meghatározza a spirális mozgás dinamikáját. | Nonlinear dynamics of complex chemical systems has been studied. A new algorithm has been developed and applied for systematic design of sulphite-based pH-oscillators. Unusual mechanisms of temperature-compensation have been found in pH-oscillators and the Bray reaction. An experimental AUTO-algorithm has been developed and tested for determining the bifurcation diagram of electrochemical oscillators. A new method has been developed to experimentally alter an essential dynamical variable of the electrochemical oscillators: the time-scale of double-layer capacitance. The method allows to determining the type of oscillators. Based on kinetic data, a new mechanism has been proposed for the BZ system with oxalic acid substrate and for the Ce(IV)-malonic acid reaction in strong acidic medium. Formation of Voronoi diagrams generated by regressing edges of precipitation fronts has been verified experimentally. Signal transmission of chemical information across one dimensional series of gaps via chemical waves has been simulated by using the Oregonator model of the excitable BZ medium. Appearance of resonance patterns has been verified by the calculations. Dynamics of spiral wave rotation has been studied experimentally and numerically in the BZ medium under the influence of time dependent perturbation by visible light. It has been found that the size and shape of the sensory domain applied to generate the feedback signal determines the peculiar dynamics of spiral rotation

Reakció és reakció-diffúzió rendszerek nemlineáris dinamikája = Nonlinear dynamics of reaction and reaction-diffuson systems

1) Az oszcillációs BZ és BR reakciók vizsgálata: Nem katalizált folyamatok a BZ reakcióban. A ferriin-brómmalonsav és a ferriin-malonsav reakció termékei. A CO-fejlődés forrása a klasszikus BZ reakcióban. Periodikus CO- és CO2-fejlődés felfedezése a BR reakcióban. A CO- és CO2-fejlődés teljes inhibíciója rezorcinnal és I(+1) transzfer a dijódmalonsavtól a malonsavra. A CO- és CO2-fejlődéshez vezető reakcióutak a BR reakcióban. Analógiák a BR és BZ reakciók között. A jódmalonsav mint anti-inhibitor a rezorcin-inhibeált BR reakcióban. Antioxidáns meghatározás a BR reakció segítségével 2) Kémiai dinamikai rendszerek analízise a parametrikus reprezentáció módszerével 3) Kémiai hullám-kísérletek inhomogén közegben és az eredmények interpretációja a geometriai hullámelmélet alapján; Liesegang mintázatok tanulmányozása: Kémiai hullámok terjedése körszimmetrikus inhomogén közegben. Szisztematikus front-torzulás és konszekutív frontok egy csapadékképző rendszerben. Mintázatképződés és önszerveződés egy egyszerű csapadékképző rendszerben. Gerjeszthető rendszerek modellezése sztochasztikus sejtautomatával. Tervezett mintázatok: a csapadékképződés rugalmas szabályozása elektromos árammal. Csapadékmintázatok durvulása egy mozgó reakció-diffúzió frontban 4) Elektrolit diódák tervezése és kutatása: Hidrogélek integrálása kemény és puha mikroszerkezetekbe. Negatív sóhatás egy sav-bázis diódában. Mikro-mintázatos polivinil butirál membrán sav-bázis diódákhoz | 1) Mechanistic studies of the oscillatory BZ and BR reactions: Uncatalyzed processes in the BZ reaction. Products of the ferriin-BrMA and the ferriin-MA reactions. The source of the CO evolution in the classical BZ reaction. Discovery of periodic CO and CO2 evolution in the BR reaction. Complete inhibition of the CO and CO2 evolution with resorcinol and I(+1) transfer from I2MA to MA. Reaction routes leading to CO and CO2 in the BR reaction. Analogies between the BR and BZ reactions. IMA as an antiinhibitor in the resorcinol inhibited BR reaction. Antioxidant determination with the BR reaction 2) Analysis of chemical dynamical systems with the parametric representation method 3) Chemical wave experiments in non-homogeneous media and interpretation with the geometric wave theory; Liesegang patterns: Propagation of chemical waves in a non-homogeneous medium with circular symmetry. Systematic front distortion and presence of consecutive fronts in a precipitation system. Pattern formation and self-organization in a simple precipitation system. Stochastic cellular automata modeling of excitable systems. Designed patterns: flexible control of precipitation through electric currents. Coarsening of precipitation patterns in a moving reaction-diffusion front 4) Design and research of electrolyte diodes: Integration of hydrogels in hard and soft microstructures. Negative salt effect in an acid-base diode. A micro-patterned polyvinyl butyral membrane for acid-base diode

Adaptive moving mesh algorithm based on local reaction rate

An empirical mesh adaption algorithm is introduced for modeling one-dimensional reaction-diffusion systems with large moving gradients. Our new algorithm is based on the revelation, that in reaction-diffusion systems the high moving concentration gradients appear nearby to the region where the rate of reaction is maximal, thus the local reaction rate can be used to control the mesh adaption. We found, that the main advantage of such a method is its simplicity and easy implementation. As an example we study an acid-base diode, where large moving gradients appear. The mathematical model of the diode contains several parabolic PDEs, coupled with one elliptic PDE. An r-refinement technique is used and attached to the commercial finite element solver COMSOL. We investigated the time-dependent salt effects of the diode with our developed algorithm. Our mesh adaption method is advantageous for modeling of any reaction-diffusion systems with localized high concentration gradients

Synchronization and oscillator death in oscillatory media with stirring

The effect of stirring in an inhomogeneous oscillatory medium is investigated. We show that the stirring rate can control the macroscopic behavior of the system producing collective oscillations (synchronization) or complete quenching of the oscillations (oscillator death). We interpret the homogenization rate due to mixing as a measure of global coupling and compare the phase diagrams of stirred oscillatory media and of populations of globally coupled oscillators.Comment: to appear in Phys. Rev. Let

Reakció és reakció-diffúzió rendszerek nemlineáris dinamikája = Nonlinear dynamics of reaction and reaction-diffusion systems

A 4 év alatt 5 témakörben folytattunk kutatásokat 1.) Az oszcillációs Belouszov-Zsabotyinszkij reakció mechanizmusa Metanollal, etilén-glikollal és polietilén-glikollal perturbáltuk a klasszikus (malonsav szubsztrátumú) BZ-reakciót. Az eredményeket a BZ-reakció MBM mechanizmusával modelleztük. Az oxálsav szubsztrátumú oszcillációs BZ-reakciót tanulmányoztuk kísérletileg, és szimulációkkal. Felfedeztük, hogy e rendszerben a bróm és az oxálsav láncreakció révén reagálhatnak egymással, ahol a láncvivők a karboxil gyök és a bróm atom. Nemkatalizált bromát - szubsztrát reakciókat fedezünk fel a klasszikus BZ-rendszerben. 2.) Kémiai dinamikai rendszerek analízise a parametrikus reprezentáció módszerével Globális bifurkációs diagramok szerkesztésére használtuk fel a módszert egy biológiai modellben. 3.) Gerjeszthető dinamikájú és más ?aktív? reakció-diffúzió rendszerek modellezése, kémiai hullámok heterogén közegekben Álló és mozgó csapadékfrontokat hoztunk létre Liesegang-rendszerekben. Élő sejt kalcium hullámait modelleztünk. 4.) Kémiai hullámok geometriai elmélete Az elméletet heterogén körgyűrűben keringő hullámokra alkalmaztuk. A Fermat-elvre alapozott aplanatikus felületek segítségével kémiai lencsét terveztünk, amit kísérletileg is megvalósítottunk. 5.) Elektrolit dióda és tranzisztor rendszerek kutatása Új elektrolit diódákat hoztunk létre gyenge lúg és gyenge sav felhasználásával. Módszert dolgoztunk ki gyengén töltött hidrogélek töltésének mérésére. | Research was made in 5 topics during the 4 years 1.) Mechanism of the oscillatory Belousov-Zhabotinsky reaction The classical BZ reaction (substrate: malonic acid) was perturbed with methanol, ethylene glycol and polyethylene glycol. Results were modelled by the MBM mechanism of the BZ reaction. The oscillatory BZ reaction with oxalic acid substrate was studied experimentally and by simulations. It was discovered that in this system bromine and oxalic acid can react with each other via a chain reaction where the chain carriers are carboxylic radicals and bromine atoms. Noncatalyzed bromate - substrate reactions were discovered in the classical BZ system. 2.) Analysis of chemical dynamic systems with the method of parametric representation The method was applied to construct global bifurcation diagrams in a biological model. 3.) Modelling of excitable and other ?active? reaction-diffusion systems, chemical waves in heterogeneous media Steady and moving precipitate fronts were created in Liesegang systems. We also modelled the calcium waves of a living cell. 4.) Geometric theory of chemical waves The theory was applied for waves rotating in a heterogeneous ring. With the aid of aplanatic surfaces derived by the Fermat principle a chemical lens was designed, which was realized experimentally. 5.) Research of electrolyte diodes and transistors New electrolyte diodes were created applying weak acids and bases. A new method was developed to measure the charge of weakly charged hydrogels

Chlorine Dioxide Is a Size-Selective Antimicrobial Agent

Background / Aims: ClO2, the so-called "ideal biocide", could also be applied as an antiseptic if it was understood why the solution killing microbes rapidly does not cause any harm to humans or to animals. Our aim was to find the source of that selectivity by studying its reaction-diffusion mechanism both theoretically and experimentally. Methods: ClO2 permeation measurements through protein membranes were performed and the time delay of ClO2 transport due to reaction and diffusion was determined. To calculate ClO2 penetration depths and estimate bacterial killing times, approximate solutions of the reaction-diffusion equation were derived. In these calculations evaporation rates of ClO2 were also measured and taken into account. Results: The rate law of the reaction-diffusion model predicts that the killing time is proportional to the square of the characteristic size (e. g. diameter) of a body, thus, small ones will be killed extremely fast. For example, the killing time for a bacterium is on the order of milliseconds in a 300 ppm ClO2 solution. Thus, a few minutes of contact time (limited by the volatility of ClO2) is quite enough to kill all bacteria, but short enough to keep ClO2 penetration into the living tissues of a greater organism safely below 0.1 mm, minimizing cytotoxic effects when applying it as an antiseptic. Additional properties of ClO2, advantageous for an antiseptic, are also discussed. Most importantly, that bacteria are not able to develop resistance against ClO2 as it reacts with biological thiols which play a vital role in all living organisms. Conclusion: Selectivity of ClO2 between humans and bacteria is based not on their different biochemistry, but on their different size. We hope initiating clinical applications of this promising local antiseptic