简介

何谓BZ反应

应用

BZ反应的研究进展

简介

通常情况下，化学反应体系的反应物浓度随反应时间呈单调变化，直至一个平衡状态。但是，在某些反应体系中某些反应物的浓度随时间呈周期性变化，这一现象称为化学振荡。最著名的化学振荡反应是1959年首先由苏联科学家贝洛索夫(Belousov)观察发现，后经恰鲍廷斯基(Zhabotinsky)进一步研究，该化学振荡反应体系含有溴酸，因此人们将可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应笼统地称为BZ振荡反应。大量实验研究表明，发生化学振荡的体系必须是远离平衡态的体系，并且反应过程中含有自催化步骤，体系同时具有双稳定态，所以体系可以在两个稳定态之间来回振荡。

1972年，R. J. Fiela、E. Koros和R. Noyes等人通过实验对BZ振荡反应作出了解释。

贝洛索夫-恰鲍廷斯基反应(BZ反应)， 它是由3个不同的反应组成的化学振荡反应。

化学计算机有个十分复杂而又特别迷人之处，称之为贝洛索夫-恰鲍廷斯基反应(BZ反应)，它是由3个不同的反应组成的化学振荡反应。每个反应都有不同的分子和离子，当加入特定的化学成分后，首先触发第一个反应，所产生的生成物可以触发第二个反应，随后第二个反应的生成物又可以触发第三个反应，第三反应的生成物再触发第一个反应，由此循环往复。更为迷人的是，各个不同的反应会产生不同的颜色，因此可以形成红蓝交替的波。

何谓BZ反应

BZ反应是以两个俄罗斯科学家的名字命名的。B.P.Belousov发现了该反应，而A.M.Zhabotinsky继续了Belousov的工作。20世纪50年代，俄罗斯的Belousov在寻找类似于三羧酸循环的无机反应过程时发现含有溴酸盐、柠檬酸、硫酸和铈离子的溶液进行反应时，反应物浓度呈现出周期振荡的性质，并且发现不扰动的反应溶液中存在移动的波。1961年，莫斯科国立大生物物理学的研究生Zhabotinsky用丙二酸代替柠檬酸，得到了更为清晰化学表述。之后人们就把有机酸和溴酸盐发生的类似反应称为B-Z反应。

应用

BZ反应之所以重要，在于利用它可以解决一些数学难题，尤其是一些现在的计算机难以解决的问题。比如，迷宫最短路径问题。用传统的计算机解这一问题必须要穷尽所有的路径，然后再进行比较，这需要耗费大量的时间。而利用BZ反应则不同。由于波在传播和扩散时，总是走最短的路径。只要利用照相机，记录下波的运动轨迹，就可以解决这一难题。

BZ反应的研究进展

BZ反应的实验结果极大地推动了非线性动力学理论的发展。1972年，Field., K?r?s和Noyes提出BZ反应的FKN机理，他们用约20个化学方程式解释反应的动力学机制.，接着Field 和Noyes将FKN机理化简为含三个变量的Oregonator模型。现在这一领域的科学家还常常用Oregonator模型解释化学振荡体系的行为。此外也发展了一些模型，它们与特定的实验结果吻合的很好，并且发现具有非线性动力学作用的化学反应具有特别的时空动力学行为，包括浓度的周期变化和混沌状态、化学波的形成与传导、稳定的空间图案(Turing pattern)等等。过去的二十年中，国际上对BZ反应的研究主要集中在对BZ反应机理的研究和现象解释、以及新的化学振荡子的发现上面。

上个世纪90年代中安德鲁意识到，BZ反应有更重要的应用，那就是可以用于化学处理器。为此，他组织起一个专门的班子，并开发了两个化学处理器的概念模型。一个模型可以模仿人类的手臂与大脑的反馈活动。另一个由两个BZ反应组成，可以在一个布满家具的房间内自动移动到目的地。虽然这两个概念模型表现还不错，安德鲁却意识到，如果要让化学处理器处理更为复杂的运算过程，必须要有逻辑门。

美国波士顿大学的一项理论研究引起了安德鲁的注意。该研究认为，可以模仿斯诺克撞球，制造一种形式简单的处理器。也就是说，每个球可以代表1或0，球的碰撞过程就是计算过程，球如何相撞，相撞后弹出的方向，可以精确地表现为逻辑过程。换句话说，碰撞结果可以成为逻辑门的等价物。这样，安德鲁的任务就变成如何让BZ波进行碰撞。

去年，安德鲁的研究取得重大突破。他把BZ混合物放到卤化银薄胶层上，由于卤化物可以起到化学阻滞剂的作用，胶层可以延缓波的传播速度。这样，BZ反应就不会形成完整的圆形波，只是形成了小段的圆弧，并且沿直线进行传播，安德鲁将之称为BZ弹。BZ弹更多地表现出准粒子的特性，而不是波的特性，其表现与撞球相似。实验中，安德鲁发现，两个BZ弹在特定的角度相撞时，只在特定的方向产生唯一的输出。如果仅有一个输入，则在该方向没有输出。这样安德鲁就研究出了逻辑与。此后，他又相继研究出逻辑或、逻辑非以及逻辑互斥，这就为安德鲁的化学处理器奠定了坚实的基础。

安德鲁的化学处理器虽然还处于初级阶段，但他已把目光转向了并行化学处理器。对于化学处理器能否成功，人们还处于未知阶段，但科学家相信，如果人类能够具备控制纳米级水平制造波的能力，化学处理器就很可能实现。正如一些专家所言，不管安德鲁的志向能否实现，他的研究工作无论对揭示人类大脑的奥秘，还是制造更好的处理器，均具有十分重要的意义。毕竟，化学处理器是生物组织器官和电子设备之间的一座桥梁。