A Liesegang jelenség 110 éve Rácz Zoltán Naturwiss. Wochenschrift 11, 353 (1896) MTA-ELTE Elméleti Fizikai Tansz.

Download Report

Transcript A Liesegang jelenség 110 éve Rácz Zoltán Naturwiss. Wochenschrift 11, 353 (1896) MTA-ELTE Elméleti Fizikai Tansz.

A Liesegang jelenség 110 éve
Rácz Zoltán
Naturwiss. Wochenschrift
11, 353 (1896)
MTA-ELTE
Elméleti Fizikai Tansz. Kut. Csop.
E-mail: [email protected]
Homepage: cgl.elte.hu/~racz
Miért érdekes?
(ennyi időn keresztül és még mindig)
A véletlen kísérlet
MgCl2  2  NH4OH  Mg(OH)2  2  NH4Cl
csapadék
Ostwald Wo., Wi.
Lord Rayleigh
Thompson J.J.
:
Zeldovich Ya.B.
:
Fotográfia
Csapadékképződés
elmélete
Kristálynövesztés
Mintázatképződés
Vonnegut B.
:
~1500
Mikro- és nanomintázatok készítése
… a jelenség nem teljesen megértett.
Zrínyi, 95
Naturwiss. Wochenschr. 11, 353 (1896)
Mintázatképződés
Nemtriviális mintázatok különböző dimenziókban
Zrínyi, 95
d=1
d=2
d=3
d=3
Achátok
Mire jó?
Gyógyítja a: kígyómarást,
skorpiószúrást, lázat.
Megvéd: fertőzéstől, villámlástól.
Hosszú életet biztosít.
Perzsa mágusok, bizánci császárok
és reneszánsz uralkodók kedvencei.
Leibniz: Miért a valami van, miért nem a semmi?
Homogén (amorf) vs. inhomogén (struktúrált)
Nézők
és
szereplők
(Bohr)
Mikrostruktúrák kémiai reakció + csapadékképzéssel
Mikrostruktúrák
alulról felfelé építése
Zrínyi (95) Mg(OH)2
(1) Olcsó
(2) Gyors mikroskálán
Q: Hogyan kontrolláljuk?
természetes kvarc
Hantz (01)
1cm
10cm
CuO
Grzybowski et al. (05)
250m
200m
radioláriák
L~10-6m
D~10-9m2/s
t ~ L2/D ~ 10-3s
Élő sejtek
kontrollja
10m
CuCl2
B.A. Grzybowski és csoportja
Northwestern University
Langmuir 21, 2637 (2005)
Nature Matter, Oct. (2005)
Mikroskálájú csapadékképzés technikája
CoCl2 , FeCl3 , CuCl2
A
B
AgNO3 + (K2Cr2O7 , KOH)
50mm
500mm
0.3mm
50mm
Elvileg egy-két nagyságrenddel
a litográfiai mintázatméret alatt
lehet építkezni.
Kísérlet
A mintázat jellemzése
MgCl2  2 NH 4OH  Mg(OH )2  2 NH 4Cl
Idő-törvény
A
xn ~ tn
a0
Távolság-törvény
+
B
C
b0 ~ 10-2 a0
xf
xn1  (1  p)  xn
távolság a határfelülettől
Szélesség-törvény
xn
n
wn ~ xn
Matalon-Packter törvény
p  F (b0 )  G(b0 )
b0
a0
szélesség
wn
a megjelenés ideje
tn
Egyéb (nem általános) megfigyelések: inverz mintázat, sávok finom-struktúrája, …
Távolság-törvény
Kísérlet
K. Jablczynski, Bull.Soc.Chim.Fr. 33, 1592 (1923)
MgCl2  2 NH 4OH  Mg(OH )2  2 NH 4Cl
(mm)
xn
xn  Q  (1  p)n
Zrinyi, 95
távolsági együttható
Szélesség-törvény
S.C.Müller, S.Kai and J.Ross, J.Phys.Chem. 86, 4078 (1982)
Kísérlet
MgCl2  2 NH 4OH  Mg(OH )2  2 NH 4Cl
A
+
B
távolság a határfelülettől
xn
n
C
szélesség wn
szélesség-törvény
M.Droz, J.Magnin, and M.Zrinyi, J.Chem.Phys. 110, 9618 (1999)
wn ~ xn
Matalon-Packter törvény
R. Matalon and A. Packter, J.Colloid Sci. 10, 46 (1955)
A. Packter, Kolloid Zeitschrift 142, 109 (1955)
a0
p
A
Ag2CrO4
b0
B
p
xn 1
1
xn
1/a0
p
Pb I2
b0G(b0)
F(b0)
1/a0
p  F (b0 )  G(b0 )
b0
a0
W. Ostwald (1897), N.R. Dhar et al. (1925), C. Wagner (1950), S. Prager (1956),
Ya.B. Zeldovitch et al. (1960), S. Shinohara (1970), M. Flicker et al. (1974),
S. Kai et al. (1982), G.T. Dee (1986), B. Chopard et al. (1994), …
Elméletek
a0
 t a  Da  2x a  k  a  b
A
B
A+B
1
I1
I2
t c  k1 (a  b  q)  k2a  b  c
 t c  ka  b  Dc  2x c   t d
 t d  k1 (c  c )  k 2 c  d
nukleáció és növekedés
forrása
x
?
ion-szorzat túltelítés
2
b0
 t b  Db  2x b  k  a  b
C
S ( x, t )
W. Ostwald (1897), N.R. Dhar et al. (1925), C. Wagner (1950), S. Prager (1956),
Ya.B. Zeldovitch et al. (1960), S. Shinohara (1970), M. Flicker et al. (1974),
S. Kai et al. (1982), G.T. Dee (1986), B. Chopard et al. (1994), …
Elméletek
a0
 t a  Da  2x a  k  a  b
 t b  Db  2x b  k  a  b
A
B
A+B
1
I1
I2
b0
?
t c  k1 (a  b  q)  k2a  b  c
ion-szorzat túltelítés
forrása
x
S ( x, t )
C
a0
t 1/ 6
A
c0
b0
B
C
2
 t c  ka  b  Dc  2x c   t d
 t d  k1 (c  c )  k 2 c  d
x f (t )
xf  Df t
c0  const
nukleáció és növekedés
L. Gálfi and Z.R., PRA 38, 3151 (1988)
T. Antal, M. Droz, J. Magnin and Z.R.,
PRL 83, 2880 (1999)
Liesegang sávok fázisszeparáció modellje I.
a0
A
c forrása
T
c0
A
S ( x, t )
b0
B
C
xf ~ t
B
c
t c   (  c   c3   c )  S ( x, t )
c0
F(c)
2c  ch  cl
c~ 
ch  cl
Megmaradási törvény:
ch
cl
-1
0

F
 t c   jc  m  
c
c
+1
Szabadenergia:
F (c )  

2
c2 

4
c4
Liesegang sávok fázisszeparáció modellje II.
c0
C
Cahn-Hilliard egyenlet mozgó forrással
A
S ( x, t )
t c   (  c   c3   c )  S ( x, t )
B
F
c
F (c)
c
c
ch
xn~ Q (1+p )n
c
b
p pF=
(b0p(a
)  G0,b
(b00)) 0
a0
cl
xn
b 
Q ~  0 
 a0 
0.4
x
movie
Termodinamika rögzíti ch és cl-t,
és c megmaradásából következik
wn~ x n
T. Antal et al., J.Chem.Phys. 109, 9479 (1998)
Távolság-törvény
xf
c*
a0
t
S ( x, t )
c0
c*
b0
C
xf
c*
x
fázisszeparáció feltétele c>c*
Megmaradási törvény:
Da a0
xn1
xf
c*
jin  jc
Dc c 
xn 1  xn
a0
jin
jc
xn1
Dc c
Matalon-Packter
 1
xn
Da a0
0
xn
c*
xn 1
Prognosztikai képesség: egy sáv megjelenési ideje
Z.R., Physica A274, 50 (1999)
a0 Da
Paraméterek meghatározása kísérletből
t c   (  c   c3   c )  S ( x, t )
c0
C
c0 Df
b0 Db
xf 
Df t
scale of conc.
 /   2 10 m
4
hossz-skála:  th 
időskála:
t th   /( 2 )  40s
A dinamika részletei:
 exp  0.2m
ch
t exp  106 s
c
cl
xn
x
60 min
Liesegang mintázatok külső térben
I. Bena, M. Droz, and Z.R. J.Chem.Phys. 122, 204502 (2005)
x f~ t
c0(x) = c0 + c1E x/
t c   (  c   c3   c )  S ( x, t )
E>0
E>0
E<0
Másodlagos Liesegang mintázatok
B.A. Grzybowski,
(Liesegang Workshop, Sils-Maria, 2006)
AFM kép --
a gél felülete
1m
30-50 nm
A gél szerepe a csapadékképzésben?!
Köszönetnyilvánítás
T. Antal
M. Droz
I. Bena
B. Chopard
J. Magnin
P. Hantz
M. Zrínyi
T. Unger
L. Gálfi
I. Lagzi
K. Sas
(Boston U.)
(Geneva U.)
---(Babes-Bolyai U., Kolozsvár)
(Technical U., Budapest)
-(Eötvös U., Budapest)
---
Deterministic vs. probabilistic aspects I.
The question of the origins of order:
Bishop to Newton:
Now that you discovered the laws
governing the motion of the planets,
can you also explain the regularity of
their distances from the Sun?
Newton to Bishop:
I have nothing to do with this problem.
The initial conditions were set by God.
?
Titius Bode law
(Cornell Universty)