Vortex Dynamics and Suppression of Chemical Turbulence in Autocatalytic Reaction-Diffusion Systems

自催化反应扩散系统中的涡动力学和化学湍流抑制

基本信息

  • 批准号:
    1565734
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In this project funded by the Chemistry Division (Chemical Structure, Dynamics and Mechanisms A), Professor Oliver Steinbock (Florida State University) is studying how seemingly simple chemical reactions can form complex life-like patterns. Chemical reactions in a laboratory container can produce macroscopic patterns that include rotating spirals that appear visually as striking blue bands on a red background. Closely related spirals exist as electrical phenomena also in the human heart where they cause life-threatening conditions and are among the leading causes of death in the US. Professor Steinbock and his students will investigate the behavior of these spiral waves in thick layers that model the heart focusing on specific questions including the effect of height variations. They will also study the pinning of these spirals to inert areas that correspond to anatomical features and scar tissue formed after heart attacks. This project uses the autocatalytic Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction and numerical simulations of reaction-diffusion models to investigate self-propagating concentration waves. In three dimensions, these nonlinear waves can take the form of vortices that rotate around one-dimensional phase singularities called filaments. Filament motion can generate a form of spatio-temporal chaos that shares many dynamical similarities with ventricular fibrillation in the human heart. The effect of non-reactive heterogeneities on periodic and chaotic vortices will be investigated with a focus on the defect-mediated suppression of turbulent states as well as the translational motion of vortices along step edges. Another component is the study of vortex pinning in higher dimensional networks. The outreach program includes the dissemination of key results and pertinent background information to laymen and teachers using YouTube videos and other internet-based resources.
在这个由化学部(化学结构、动力学和机制A)资助的项目中,佛罗里达州立大学的奥利弗·斯坦伯克教授正在研究看似简单的化学反应如何形成复杂的类生命模式。实验室容器中的化学反应可以产生宏观图案,包括旋转的螺旋,在视觉上看起来像红色背景上醒目的蓝色带。密切相关的螺旋也作为电现象存在于人类心脏中,它们会导致危及生命的疾病,是美国死亡的主要原因之一。Steinbock教授和他的学生将研究这些螺旋波在厚层中的行为,这些厚层可以模拟心脏,重点关注具体问题,包括高度变化的影响。他们还将研究将这些螺旋固定在与解剖学特征和心脏病发作后形成的疤痕组织相对应的惰性区域。本项目采用自催化Belousov-Zhabotinsky (BZ)反应和反应扩散模型的数值模拟来研究自传播浓度波。在三维空间中,这些非线性波可以采取漩涡的形式,围绕一维相位奇点旋转,称为细丝。纤维运动可以产生一种时空混沌的形式,与人类心脏的心室颤动有许多动力学上的相似之处。非反应性非均质性对周期性和混沌涡旋的影响将被研究,重点是缺陷介导的湍流状态抑制以及涡旋沿阶梯边缘的平移运动。另一个组成部分是研究高维网络中的涡旋钉住。外展计划包括利用YouTube视频和其他基于互联网的资源向外行和教师传播关键结果和相关背景信息。

项目成果

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