流体現象を伴う反応拡散波のソリトン的挙動と非線形ダイナミックス

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振動的な酸化還元反応としてよく知られるBelousov-Zhabotinsky(BZ)反応において、非撹拌のバッチリアクター中にSpiral WaveやTarget Patternのような化学反応波がトリガされる。代表者らは、化学反応波のトリガの仕方によっては加速的に伝搬し大きな流体現象を伴う化学反応波(Big Wave)が存在することや、Spiral Waveを励起した反応容器中に特殊な振動流が発生することを見出して来た。Big Waveの特徴は、通常のトリガ波の伝搬速度(約100μm/s)に比較して非常に大きな(最大3000μm/s)反応波とともに伝搬する対流の発生と、加速的な波頭の伝搬である。本研究では、化学反応波が伝搬していく際に反応波に付随して発生する興味深い流体現象(特にBig Wave)の発生メカニズムの解明を目標とした。このため、従来不可能であった、反応波の波頭での溶液界面の変形と発生している流れの同時計測法を開発した。界面の変形は反応溶液表面でのレーザ光の鏡面反射像の動きを動画像処理することにより、また反応溶液中の流れは溶液中に混入させた微粒子(ポリスチレン球0.5μmφ)をレーザ光により可視化し動画像処理することで観測した。この手法の開発により、流体現象の発生メカニズムがMarangoni不安定性であることや、高次の不安定性がBig Wave発生のキ-ポイントであることが明らかとなった。また、Spiral Waveに伴う振動的対流についても、約3mm/sでSpiral波の中心に向かって次々に伝搬する、非常にグローバルな対流構造の存在が明らかとなり、Big Waveとの関連性や、化学反応波に伴う二つの流体現象を統一的に理解できる可能性が示された。現在、こうした事実を取り入れた新しいモデルを構築中であり、シミュレーション実験を併用した今後の研究の進展が望まれる。