Vergleichende Untersuchungen zur Musterbildung in erregbaren Medien mit Vermerken zum Einfluss schwacher magnetischer Felder - Schwerpunkt: Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Abstract

In this work we did some research on the influence of a weak external magnetic field (MF) on the creation of patterns in excitable media (duration field (DC) and alternating field (AC)). As examples we chose the well known Belousov-Zhabotinsky reaction (BZR) and ferrofluids. If ferrofluids are stimulated mechanically by vertical vibration they show changes of phases in the building of patterns while raising the induced energy (here by different hights of amplitudes). The viscosity of the magnetic fluid is increasing in a DC-field. Because of this the changing of the phase is different from the ones without an external force. A non-stationary stirred BZR shows a periodic change of colour between yellow and colourless ? or red and blue, if ferroin is added as a catalyst. This oscillation is described as a simple curve in literature. We, however, found a much more complex behaviour in the experiment. The intrinsic optical signals (IOS) of a ferroin-catalysed, stirred BZR show a double-peak at the beginning of the reaction, which is fading after a few further oscillations. This behaviour depends on the concentration of ferroin and resembles very much electrical and optical signals known from neuronal processes (e.g. retinal spreading depression). This basic similarity makes the BZR an ideal model for a variety of neurophysiological signals, even if the underlying mechanisms are completely different. If this system is put to the influence of a weak external magnetic DC-field a further inner oscillation is added to the double-peak behaviour of the IOS. Also the double-peak itself looks different from the one without external field. If further components are added to the system it gradually changes to chaotic behaviour. This could be the induced little currents in an AC-field. Each expansion of the system is followed by further bifurcation culminating in a transition from pattern to chaos. BRZ gels show bright propagating concentric rings or spirals as a pattern. With the used materials and methods of measurement we were not able to record changes in the formation of patterns if the system was expanded. But one can assume that the behaviour of the gel is changing in the DC-field: all in all it seems to get faster.

In der Arbeit wurde der Einfluss eines schwachen magnetischen Feldes (MF) auf die Musterbildung erregbarer Medien untersucht (Gleichspannungs- (DC) und Wechselspannungsfelder (AC)). Als Beispielmodelle dienten die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZR) und Ferrofluide. Die durch vertikale Vibration angeregten Ferrofluide zeigen bei Erhöhung der zugefügten Energie (Vergrößerung der Amplitude) Phasenübergänge in ihrer Musterbildung. Im DC-Feld erhöhte sich die Viskosität der magnetischen Flüssigkeit, wodurch die Phasenübergänge verschoben werden. Eine nicht-stationäre, gerührte BZR zeigt einen periodischen Farbwechsel zwischen gelb und farblos ? oder rot und blau, wenn man sie um den Katalysator Ferroin ergänzt. Diese Oszillation wird in der Literatur als einfache Kurve dargestellt. Im Versuch konnte aber ein weitaus komplexerer Kurvenverlauf aufgezeichnet werden. Die intrinsischen optischen Signale (IOS) einer Ferroin-katalysierten, gerührten BZR wiesen zu Beginn der Reaktion Doppelpeaks auf, die nach einigen Oszillationen wieder verschwanden. Dieses Verhalten ist in seinem Auftreten abhängig von der Ferroin-Konzentration und gleicht den elektrischen und optischen Signalen neuronaler Gewebe (z.B. retinale spreading depression). Diese Ähnlichkeit untermauert die bisherige Verwendung der BZR als Modellsystem für die Erforschung neuronaler Vorgänge, auch wenn die dahinter liegenden Mechanismen vollkommen unterschiedlich sind. Setzt man dieses System dem Einfluss eines schwachen magnetischen DC-Feldes aus, kommt zum Doppelpeak eine weitere interne Oszillation der IOS-Kurve hinzu. Auch verhält sich der Doppelpeak selbst anders als ohne externes Feld. Bei weiterer Erweiterung, z.B. durch die Erzeugung kleiner Ströme in einem elektromagnetischen AC-Feld, geht das System dann langsam in ein chaotisches Verhalten über. Jedes Hinzfügen einer zusätzlichen Komponente hat eine erneute Bifurkation des Systems zur Folge und führt letztendlich ? so vermuten wir ?zum Übergang des Musters ins Chaos. BZR-Gele zeigen helle propagierende konzentrische Ringe oder Spiralen als Muster. Mit den verwendeten Messmethoden und ?Geräten konnte keine Veränderungen im Muster beobachtet werden, wenn das System um Komponenten erweitert wurde. Man kann aber vermuten, dass sich im DC-Feld das zeitliche Verhalten der Gele verändert: Es scheint insgesamt schneller zu werden.