化学反応に起因する液滴の運動と対流現象
〜化学-機械エネルギー変換〜

北畑 裕之

2001年3月6日


目次:

第1章イントロダクション
第2章BZ反応に起因する対流現象
     2.1.     はじめに
     2.2.     実験装置・方法
     2.3.     結果
     2.4.     考察・シミュレーション
     2.5.     結論
第3章BZ反応液滴の自発的運動
     3.1.     はじめに
     3.2.     実験装置・方法
     3.3.     結果
     3.4.     考察・シミュレーション
     3.5.     結論
第4章まとめ・これからの課題
謝辞
参考文献




第1章 イントロダクション

 物理学において、平衡系、孤立系に関しては系統立てられた理論が数多く確立されてきた。しかし、非平衡開放系に関しては、数十年前まで、その複雑さのためほとんど研究されてこなかった。自然界において、平衡系、孤立系だけで記述できるような系は非常に少なく、大抵の系は非平衡開放系として記述すべきものである。最近になって、非平衡開放系の重要性が気づかれ始め、多くの研究がなされている。中でも、非平衡開放系のモデルで実験的にも簡単に扱える系として、BZ(Belousov-Zhabotinsky)反応がよく研究されている。BZ反応は細胞内の代謝回路であるクエン酸回路をまねて考案された。これまでに、BZ反応において、時間的に酸化状態と還元状態を交互にとる振動が発生すること、また、静置したときにターゲットパターンやスパイラルパターンといった時空間パターンが自発的に生成されることが知られている。これらは、生物が自発的にリズムを生み出したり、美しい対称性を持ったパターンを生成したりするメカニズムを解くヒントになるのではないかと考えられている。
 今回、われわれは、BZ反応の液滴を油に浮かべた系でBZ反応の化学振動現象に同期して液滴が空間的に振動する現象を見いだした。これは、等温系で化学エネルギーを仕事に変換する現象であると考えることができる。平衡系で化学エネルギーから仕事を取り出すには低温熱源と高温熱源が必要で、しかも、熱効率はそれらの温度によって上限が決まっている。(Carnotサイクル)生物、つまり細胞はATPの化学エネルギーから仕事を取り出しているが、細胞サイズでは温度差はすぐに緩和され、Carnotサイクルを利用した熱機関ではひどく効率の悪いものになってしまう。ところが、実際には、細胞は非常に効率よく化学エネルギーを仕事に変換しており、Carnotサイクルとは全く異なるエネルギー変換を行なっていることがわかる。だが、この変換のメカニズムはほとんど解明されていない。代謝モデルから生まれたBZ反応を用いて運動を取り出せたことは、生物が行っている化学-機械エネルギー変換の機構を理解する上で、大きなヒントになるであろう。
 第2章では、まず、液滴の運動の原因となっていると考えられる界面張力変化と対流の関係について実験を行った。さらに、流体力学の基礎方程式であるNavier-Stokes方程式に界面張力の項を付け加えた形の式を考え、数値計算を行って、その結果と実験結果を比較・考察した。次に、第3章では、液滴の自発的運動の実験結果を述べたあと、第2章の考察をもとにして、数値計算、解析計算を行い、液滴の運動のメカニズムを考察した。最後に、第4章で全体を総括し、さらに、今後の発展について述べた。

続き



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    図の質を落として軽くしたもの:  q9-report2.pdf (515KB)




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