Química de fluxo autocatalítico

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9211 (2023) Cite este artigo

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A autocatálise é um processo crucial de auto-organização fora do equilíbrio na natureza e assume-se que desempenha um papel na origem da vida. Os fenômenos dinâmicos essenciais de uma rede de reação autocatalítica são a biestabilidade e o desenvolvimento da frente de propagação quando combinado com a difusão. A presença de movimento de fluido em massa pode ampliar a gama de comportamento emergente nesses sistemas. Muitos aspectos da dinâmica das reações autocatalíticas em escoamento contínuo já foram estudados, principalmente a forma e dinâmica da frente química e a influência das reações químicas nas instabilidades hidrodinâmicas. Este trabalho visa fornecer evidências experimentais de biestabilidade e fenômenos dinâmicos relacionados, como excitabilidade e oscilações em reações autocatalíticas realizadas em um reator de fluxo tubular, onde o fluxo é laminar e a advecção é o processo de transporte dominante. Mostramos que a rampa de tempo de residência linear pode resultar no aparecimento simultâneo de diferentes estados dinâmicos ao longo do comprimento do tubo. Portanto, reatores tubulares longos oferecem uma oportunidade única para explorar rapidamente a dinâmica das redes de reação. Essas descobertas aumentam nossa compreensão da química de fluxo não linear e seu papel na formação de padrões naturais.

A autocatálise aparece nas reações de pequenas moléculas, macromoléculas e no nível supramolecular1,2, e está no cerne da química da vida3. A replicação e o crescimento exponencial causados ​​por redes autocatalíticas são processos essenciais de auto-organização natural, desde o nível molecular até o nível populacional. As características universais dos processos autocatalíticos conectam inerentemente essas áreas distantes. Além da dinâmica temporal, padrões espaço-temporais convincentes podem aparecer quando os processos de transporte são combinados com redes autocatalíticas. Tanto a difusão, um processo de transporte em nível molecular, quanto o movimento do fluido em massa, a advecção podem desempenhar um papel construtivo no desenvolvimento desses fenômenos. Os padrões de Turing são um exemplo emblemático em que a autocatálise combinada com feedback negativo e difusão diferencial produz padrões auto-organizados4.

Propriedades relevantes de redes autocatalíticas de pH: pH sigmoidal vs. curva de tempo em lote (a), biestabilidade em um CSTR (b) e frente esticada em fluxo laminar adverso (c). Esquema do reator de fluxo com diâmetro de tubo de 1 mm utilizado nos experimentos (d).

Biestabilidade no reator de fluxo na reação clorito-tetrationato (a). A cor escura corresponde ao pH alto e a cor clara ao pH baixo. O gráfico espaço-tempo representa a dinâmica espaço-temporal no meio do reator (b). A dinâmica local representativa é mostrada no meio dos canais 1 e 20 (c). A estabilidade do fluxo é acompanhada na entrada da unidade do misturador, onde um pico denota um refluxo (d). Diagrama da estabilidade dos estados (F e T) ao longo do tubo (e). Condições experimentais: \([\hbox {ClO}_{2}^-]_0\) = 19 mM, \([\hbox {S}_{4}\hbox {O}_{6}^{2- }]_0\) = 5 mM, \(\left[ {{\text{H}}_{2} {\text{SO}}_{4} } \right]_{0}\) = 0,6 mM , \(v_0\) = 96 mL/h, u= 3,4 cm/s, T= 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).

Excitabilidade no reator de fluxo na reação bromato-sulfito (a). A cor escura corresponde ao pH alto e a cor clara ao pH baixo. O gráfico espaço-tempo representa a dinâmica espaço-temporal no meio do reator (b). A dinâmica local representativa é mostrada no meio dos canais 1, 3 e 22 (c). A estabilidade do fluxo é acompanhada na entrada da unidade misturadora, onde um pico denota um refluxo (d). Perfis representativos das duas diferentes frentes (e). Condições experimentais: \([\hbox {BrO}_{3}^{-}]_0\) = 30 mM, \([\hbox {SO}_{3}^{2-}]_0\) = 60 mM, \([\hbox {H}_{2}\hbox {SO}_{4}]_0\) = 5 mM, \(v_0\) = 40 mL/h, u= 1,4 cm/s, T = 25 \(^{\circ }\hbox {C}\).