Csatolt kémiai rendszerek dinamikája: koherens viselkedés, kontroll és szinkronizáció = Dynamics of coupled chemical systems: coherent behaviour, control and synchronization

Az Európai Tudományos Alap (ESF) által támogatott "Funkcionális dinamika ..." (FUNCDYN) című programhoz kapcsolódva célul tűztük ki globálisan csatolt rendszerek dinamikai vizsgálatát. Célunk a szinkronizáció kialakulását szabályozó törvényszerűségek megismerése volt - elsősorban elektrokémia rendszerek kísérletekre és modellszámításokra alapozott vizsgálatával. A terveknek megfelelelően továbbfejlesztettük az elektrokémia oszcillátorok vizsgálatára alkalmazott kísérleti berendezésünket. Új vezérlőprogramokat írtunk és teszteltünk, melynek során felfedeztük, hogy az elektrokémiai oszcillátorok fázisdiagrámjának a forgó korong-elektród méretétől és forgási sebességétől való függése ún. skálatörvényel írható le. Egy magyar-román TéT együttműködési pályázat kiegészítő támogatásával közös kutatást kezdtem Adrian Birzuval (A.I. Cuza University, Iasi). FORTRAN nyelven kifejlesztett programcsomag alkalmazásával modellszámításokat végeztünk két ill. 128 csatolt S-NDR típusú elektrokémiai oszcillátor kollektív viselkedésének jellemzésére. A szinkronizáció klasszikus kialakulása mellett egy új jelenséget is találtunk, az ún. dinamikai klaszterképződést. Az OTKA pályázat lehetővé tette szakmai együttműködésemet egykori PhD hallgatómmal, Kiss István Zalánnal (ma a Saint Louisi Egyetem, USA, professzora), akivel kutatást végeztünk az elektrokémiai oszcillátorok dinamikájának vezérlésére az ún. késleltetett visszacsatolási algoritmusok alkalmazásával. | With this project, our goal was to study the dynamics of globally coupled systems as part of the FUNCDYN (Functional dynamics ...) programme supported by the European Science Foundation. We hoped to learn about the rules that govern the appearance of synchrony - especially by studying electrochemical systems experimentally and by numerical modelling. We upgraded our electrochemical measuring system. New control programs have been written and tested, during which we have discovered a new scaling relationship. It defines the dependence of the oscillatory phase diagram on the electrode size and rotation rate of a disk-electrode. With the additional support from a Hungarian-Romanian S&T Cooperation Programme we have started a joint research with Adrian Birzu (A.I. Cuza University, Iasi). We have studied the dynamics of globally coupled arrays of S-NDR type electrochemical oscillators (2 and 128 electrodes) and characterized the emergence of synchrony by applying FORTRAN codes for simulations and analysis written by us. Besides the classical scenario for synchronization, we have discovered a new dynamical phenomenon: the appearance of dynamical clusters. The support from OTKA allowed me to renew our research activity with my former PhD student, István Zalán Kiss (now a professor at Saint Louis University, USA). We have completed a project for controlling the dynamics of electrochemical oscillators by applying different delayed-feedback algorithms

Delayed feedback induced multirhythmicity in the oscillatory electrodissolution of copper

L

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