5
Induction of chemical waves by mechanical stimulation in elastic Belousov±Zhabotinsky media Kenji Suzuki * , Tatsuo Yoshinobu, Hiroshi Iwasaki The Institute of Scienti®c and Industrial Research, Osaka University, 8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan Received 19 July 2001; in ®nal form 3 September 2001 Abstract We report a mechanical induction of chemical waves in elastic Belousov±Zhabotinsky BZ) media where catalyst ferroin is loaded on a cation-exchange membrane Na®on). When the membrane was pressed with a hemispherical tip of a glass stick, a circular chemical wave was induced at the pressed area. The mechanism of the induction of chemical waves changed steeply depending on the tip force. These results imply the realization of transducers from mechanical stimuli into chemical signals through autocatalytic chemical reaction. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. 1. Introduction Chemical waves in Belousov±Zhabotinsky BZ) media have been thought to be a convenient model of waves in biological excitable media such as heart muscles, brain tissues and visual cortex [1±4]. The developments in elastic BZ media provide a paradigm for a mechanical function of arti®cial excitable media [5±8]. Recently, Yoshida et al. [9,10] have realized the mechanical oscillation of polymer gels coupled with chemical oscillation in BZ reaction. However, there have been few studies on the induction of chemical waves by mechanical stimuli. The mechanical induction of chemical waves is one of the most interesting phenomena expected for the elastic BZ systems, in relation to the generation and transmission of nerve pulses in muscle spindle and sensory cells for touch-pressure sense of skin. In this study, we found the induction of chem- ical waves by mechanical stimuli in elastic BZ media [7]. The membrane was pressed with a tip of a glass stick and a chemical wave was induced at the pressed area. It is clari®ed that there are two types of induction of chemical waves depending on the tip force. 2. Experimental A catalyst ferroin) for BZ reaction was im- mobilized on a cation-exchange membrane Du- pont Na®on 117 per¯uorosulfonic acid membrane of 0.183 mm in thickness) as follows. A dry Na®on membrane was immersed in hot water at 90 °C for 1.0 h and sandwiched between two Te¯on plates, 7 December 2001 Chemical Physics Letters 349 2001) 437±441 www.elsevier.com/locate/cplett * Corresponding author. Fax: +81-6-6879-8404. E-mail address: [email protected] K. Suzuki). 0009-2614/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0009-261401)01243-X

Induction of chemical waves by mechanical stimulation in elastic Belousov–Zhabotinsky media

Embed Size (px)

Citation preview

��������� � ����� � � ��� �� ��� ��� � ������ ������ �� ���� ���������� �������� ����

����� ������ �� � ���� ��������� �!��� �� � ��

��� �������� � � ������ ��� ��������� ������ �� ����� ����������� ��� �������� �������� ����� !"�##$"� %�&��

"������� #$ %��� &''#( �� )� � �!� * ��+�����! &''#

��������

,� !�+�!� ��� ��� � ��������� � ����� � � ��� �� �� ���� ���������� �������� -��. ���� ��!� � � ����

�!!��� �� �� ��� �� � ����/�0� �1� ����! �� -'���.2 ,�� �� ����! �� � � +!����� ��� ����+�!�� � ��+ �

1� �� ������ ��!��� ! ����� � � �� � � ������� � �� +!����� !� 2 �� ��� ���� � �� ��������� � ����� �

� ��� � �1�� ����+�� ��+�����1 �� �� ��+ �!��2 ���� !������ ��+�� �� !� ��� ���� � �! ������!� !�� ��� ��� �

������� ���� ����� � ��1� �� �!��1 ���� � ����� ����� � !� �����2 � &''# 3������! ������� �242 5�� !�1�� !���!���2

� ���� ������

6���� � � ��� �� ���������� �������� -��.���� �� ���� ���1� �� �� ���������� ������ � ��� �� �����1�� � �0��� ��� ���� ��� �� !� �������� �! �� ������� �� ���� � ��!��0 7#�892�� ������+����� �� �� ���� �� ���� +!����� + ! ��1� �! ��� ��� � ������� � !��)�� ��0��� ��� ���� 7:�;92 "�������� ����� �� �27$�#'9 �� !� ����� �� ��� ��� � ������ ���� �+�����! 1��� ���+��� ��� ����� � ������ ���� ���� !� �����2 �����!� ��!� �� ���� �� ��������� �� ��������� � ����� � � ��� �� ��� ��� ��������2 �� ��� ��� � ��������� � ����� �� ��� �� ��� � �� ���� ����!�����1 +������ �0+����� �! �� �� ���� �� �������� �� !�� ���� ��

�� 1���! ���� �� �! ��������� � ��!�� +����� �������� �+����� �� �����!� ����� �! ����/+!����!������ � ����2�� ��� ������ �� ���� �� ��������� � ���/

�� � � ��� �� ��� ��� � ������� �� �� ���� ������ 7<92 �� ����! �� � � +!����� ��� ��+ � 1� �� ����� �� ����� � � �� � � ������� ��� +!����� !� 2 �� �� �� !�)�� � � ��!� !� �����+�� � ��������� � ����� � � ��� ��+�����1 ���� ��+ �!��2

� ������������

5 � � ���� -�!!���. �! �� !� ����� � � ��/��������� �� � ����/�0� �1� ����! �� -=�/+��� '��� ��" +�!>��!�������� ��� ����! ��� '2#;* �� �� ��������. � ������2 5 �!� '�������! �� � � ����!��� �� �� � ��! � $' �6 �!#2' �� � ������� ������� ��� ��>�� +� ����

< =������! &''#

6���� � ?����� @����!� *8$ -&''#. 8*<�88#

���2�������!2���A��� ��A�+����

� 6�!!��+�����1 ���!2 B 0C D;#/E/E;<$/;8'82

(�)��� �������* �/�����F +2��12�� � /�2 �2�+ -�2 ������.2

'''$/&E#8A'#AG / ��� !��� � ���! � &''# 3������! ������� �242 5�� !�1�� !���!���2

?��C �'''$/&E#8 -'# .'#&8*/H

��� � ��� � ������2 �� ����! �� � �������� � � ����!�� �� �!�+ � &: �I �!!����������� �! #' ��� �� �� � �!!���2 �� �!!������������ �B��+���*�&� ��!� ������ �� ������� ��� 1!��+� -��J�

* . �� �� ����! �� �� �����������! �����2 5��! � �� �� ����! �� ��� ����>�� +� ��� � � � ��� �� >�� � +�!� � ��!2B�� ���� ��� � �� ��>�� +� ��� ��!� !������!�� �� ����! ��2 5���!���1��� �!!��� � ������������ �� ��� ���� � �� ����! ��2 ��!�1��� �� ��� ��� �!!��� � � ���� <2: �� ����+� �� �� ����� � �!!��� +�! ���� !� � ������ ��� � #�: ������&2B�12 # ���� �� ���)1�! ���� � �� �0+�!�����2

�� ����! �� ��� � � ���� � � ����!��� �� ���� �������� ������ � � ����2 �� !�1��� �� ������ �!!��� � � �� �� �++�! ����2 �� ����� ����+������� � �� �� �������� � � � ������C� &�J8� � '�8' I� �K �!J*� � '�8' I� �6 &�6JJ �&� � '�8' I� �K �!� � '�''; I2 �� ��+�� �� �������� � � ���� #' �� �� �� ���/+�! ��!� � �� �������� � � � ��� ���� �&:2'� '2: �62 ���!� �� �0+�!������� �� ���/�! ��� ��!� ����!��� �� ��� �������� �! #2' 2 ����� ���������� �� � � ���� ����� �� �� ����! ����!��� � �0��� ��� ���� �� �� ����� � � �������! ++� !�� �+��� �������2 ����� �� �+��� /����� 1���! ���� � �� ����� � � ��� ����!!��

�� �� ����! �� �! ���1��� �1�! � &�J8��� '�:' I�� �� � � ���� ���� � � ���1� �� �� ���0��� ��� �� �� ����� �� �� ������ ��!� �� ��2�� �������� ����� � ?�!�0 1� �� � � ���/

������ � �� ����! ��� � !�� ��++�!��� �� � !� � ���� �� B�12 #2 �� ��+ � �� 1� �� ����� � ����+�!�� � � +� �!��� �� �� ����� ��� ��+2 �� ������1 ���� �� !�� ������� ������! �� � � +!����� �� �� ��+ � �� 1� �� ����� � ����� �� ��+ �!�� ��+�����1 �� �� ���1�2�� ! ��� -� �. � ��!� ��!� � �� ��+� ��!��� ��!�� ��� � �+��� � ���!����+�2�� � � ���� ���� � !��� � � !�� �� ����! ��

�� !��� � ����� � � �� � � ����2 �� ���/�! �� � � ������� ��� �� ��1�� � �+ �!��1 ���� )���! -:'L� � 88# ��.� �� �� � �1��������� !�� �� ���� � � !���!��� � �� � �1��� �� ��1� ��������� �� �� ��/ ��/���� 66=� ��! -�JK� H6/<<.2

� ������� �� ���������

B�12 & ���� +!����� � �� ��������� � ������� � � ���2 ,�� ����! �� � � +!�������� ����+�!�� � ��+ � 1� �� ������ ��!��� !����� � � �� � � ������� � �� +!����� !� ��&&�;'' �2 �� 1� �� ����� � � ���� �+ ������ ����

B�12 #2 �� ���� ��� ������! ���� � �� �0+�!����� � ��� �+2

B�12 &2 �� ���������� +���1! + � �� ��������� � ��

����� � � ��� � � ����!� � � E' � -� � '�88 ��� ��+�!��� *2&E K.2

8*; +, �-�� �� ��, . /��)� �� 0���� � 1������ 2$3 45##�6 $2"7$$�

��! �� ��������� � �� ��!��� ! � ��2 ������! �� ����� �� �� ��!��� �� ���� +����!����� ��� � �� !�! ����� ��� �� �� �������� !���� �� 1� �� ������ ��� �� �� ��� ��!��� �� !� ����26���� � � ��� � � �� ������� !�+� ����� ���� ��� � �� !� � !�+� ���1 ����� ��� � ������ ���� � �� ��!���� ����!� � � *' ���2 ����� ����� !��������� � �� ����� � � �� � � ����!��� �!������ � +� ������ ��>�� �� ���! +� ����� ����� �� ?�!�0 1� ��� �� � ��!� � � �� ����� �� ��� ��/����� � �� �� ��������� � ����� � � ���2�� ���� �� ������ �! �� ��������� � ��

����� � � ��� ��! ��� ��� � ���� � ��� ��!�� ��! ����� �! � � ��+ �!�� �� +��������!��� �� ��+ �!�� �� B�12 * 2 5� �� ��+ �!�����!� ���� �� �� ���!� ��� ����+�� � ��+ �!�� !���� * K2 ��� ��11���� � � ��!� !� ��� ��+��� �� ��������� � �� ����� � � �� ��� ��M�!/��� ��2 J�� �� ����!��� �! !�� ������ �� ��! ��+�!��� �� � !�� ������ ���1�! �� -��&� 8. �� �����! �� ����!��� �! !�� ������ ��!��1�! ��+ �!��� �� � !�� ������ ��!��! � � -��&� 9.2 5� ���� ��B�12 *�� �� ��+ �!�� ������ �! ��&� 9 ���!� ������ �� ! ��� � �� ��!� ��!� � �� ��+ �2 �����+���� � � ��&� 9 �� � ���� �� +!����!�2 B�! ���� ����� � � '�#* ��� ��&� 8 �� ���1�! ++� !�� � �� �� �� #&'' �2 �� ��� ++� ! ��� � ��&� 8+!�� ��� !�>���� �� �M��� � �� �!���� � ����� �������� � �0��� ���� �� �� ���� 7##�#&92 �� ��+ ����� �� ����� � +����! ��� �� ����! ��� �! ��+�!��� � !1�! � � 82# K� ���1 �� +����! ����� � ����! ����!��� �! ��+� ��� � !1�! �2B�1�2 8 � � ��� ��+�� � ����� !���� ��

+!����� !� � �! ��&� 8 �� ��&� 9� !��+��������2B�! ��&� 8� �� +!����� !� � �� �� ������ �� ���� !��1 �� � ����! 1! � �+��2 ��� ����!��1 ���� ��� +!�+ 1 �� �� 1! �� ��� ��� ++� !���1���! ��� �� ����! 1! � �+�� �� ���� *' ���25!���� �� +!����� !� � ��!� �� 1! � ��!��� !!�1��� ��� �� �� ����� � � �� �0+ ����1 ��/� !�� �� �������2 B�! ��&� 9� �� +!����� !� ��� �� ������ �� ���� � ����! � ���� �+��2 ����� ��� ����! ��1� � �� ���� �+�� �� ��� ����2�� ���� �+�� ���� ��� +!�+ 1 �� �� ���+��������� ++� !� �� ���� *' ���2 5!���� �� +!����� !� � ����� !�� �� ��&� 8 ��!� �� 1! � ��!��� !����� � � �� �0+ ����1 ��� !�� �� �������2 �� ������ � �!!��� �0������ �� �!!��� � �� ����

!��1 -��&� 8. �� �� ���� �+�� -��&� 9. !�� !1�! � � ���� � �� �! �����1 ��!��� ! � ������11�����1 � � �� � 1������� � �� �0��� ������ �� �� ���� � �� +!����� !�1���� ���!� ����� �� ��� ��� � ����2�� �� �0+�!������ ��������� ����� ��

����! ��� ��!� +!����� ��� �� ��+ �! &&�#&'' ���+�����1 �� ��2 ,�� �� ����! �� � � +!������! ���� : � �� �� 1� �� ����� � � ���� �+� ��!/��� ! ����� � � �� � � +!������ ��� ��!� ��+!�� ������2 �� +!�� ������ �� +������ ��!��� ��+

B�12 *2 6 ! ���!������ � �� ��� ��� � ��������� � ��

����� � � ���2 - . =�+������� � �� ���� �� ������ �! ����������� � �� ����� � � �� �� �� ��+ �!�� -� � '�E# ��.2-�. =� 1! � � �� ��������� � ����� � � ��� ��!��� �� ! /

���� � ��!� ��!� � � �� ��+ �� �� ��+ �!��C ��&� 8�( ��&�9� �( ��� � ��&� 8 �� ��&� 9� �( K� ��������� �� #&'' ���( ?����! ����� �2

+, �-�� �� ��, . /��)� �� 0���� � 1������ 2$3 45##�6 $2"7$$� 8*$

�!�� �� B�12 : �! � � '�*#� '288 �� '2E# ��2��!� �� ��+ �!�� ���� ��� �� +!�� ������������� # �! � � �2 �� ��+ �!�� ���!� ��� ��� ���11�����1 � � �� ����� � � �� �� ������� ��+!����!�2 ,�� ��!��� ! � �� � � �������� ������� �� �� ����!�� ���� �+�� ����� ! �� � �����!��� �! ��&� 9 ��� ��� ���� !��1 ����� ! ��� � ����!��� �! ��&� 82 5 ��!��� ! � �� +!�+/ 1 ��� !�� �� ���� �+�� �� �� ������� ��!������1 �+ �� 1� �� �����2 ���� ��� ����� �� � ��� ��������� � �� ����� � � �� �� ����� ! ������ � ��&� 92

�� ��� �+� �� ����� � � ��� � ��&� 9 ��!�������� �! ��!��1�! ��+ �!��� � ���� �� B�12 * �� B�12 :2 ,�� �� ��+ �!�� � � ����N����� ��� ��� ��&� 9� �� ����� � � ��� � ��&� 8 ��!�� ���� � �� ���� ������� �� ��+ �� �� ���/�! �� ��������� �! ����! � �������2 �� �� ��/�����1 + ! 1! +�� �� ������� �� ������������ ����� � ��&� 8 �� ��&� 9 ����� � � ����������!��1 �� � ��/�! ���! � �� ����� ��+����� � �� �� ������25� !�1 !�� ��&� 8� �� �������1 � �� ���/

�! �� �� �� ��+ � � �� �� ���� ��+�!� �� ���!�! �� ��������� � �� ����� � � ��2 �� ����0+�!������ �+��� ����� �0��� ���� � �� ������ �� ��++!����� �� �� ���������� �����+ ����� �� ���� ��! - �!J&. � �� !� ����� �!��1�� ����! �� ��! �� 7#*�#:92 5� !������ �� ������ �� �� �0��� ��� �� �� ����� �� �� ������ ��!��� ��2 O���! ��� ���������� �� �������1 � ������! �� �� �0+����� �� � ��� �� �0��� ���� ��� �� ���� � �� ������ !� � ��� ��� �������+ ���� � �� ���� ��! �� ����!����� �� �� ��+25� ���� �� B�12 8 � �� �����! � �� ������ !� !�� ��� 1! �2 ��� +!�� ��� �� �� � � �� � 1/������ � �� �0��� ���� ��!� �� ��++!����� ��!+!����1�� �������1 � �� ��++�� � �� ����� ��+����� ��� � ���!J�

* �� 6 &�6JJ �& !���� �� �������� �� ��� ����!����� �� �� ��+25� !�1 !�� ��&� 9� �� ���+!������ � ��

����! �� � � �� �� ���� ��+�!� �� ���! �!�� ��������� � �� ����� � � ��� ��� ��� ����������� � ��&� 9 ����� � !1� ��+ �!��2 B�!�0 �+��� �! � � '�;# �� �� ��+ �!��� E2$& K-��&� 9.� �� �������� � �� ����! �� � ��+!����� +���� ���!� ��� �� '2## �� !�� �� ���/�� � �������� � '2&# ��2 J�� � �� � �������� ����� � �� ��������� � ��&� 9 �� �� ��/�!� �� � ������ �� �� ����! ��2 �� ���+!��/���� � �� ����! �� ���!� ��� �� ������� � �� � ���� � �� ������� � ������� ��� 1!��+����J�

* � )0�� �� �� ����! ��2 �� �� �!� '�������! ��� �� ������� � �� ������� ��� 1!��+��� ����� ��� � #�<< ������*2 ����� �� ������ ��� '��� ����! �� ���!� ��� �� 8'L ��! ������!���� �� �� � ��! � $' �6� �� ������� � ��������� ��� 1!��+ ���!� ��� �� #�&E ������*2 ���� �!!��� � ��! � �� '��� ����! ��� &'L ��� ������� ��� 1!��+� !� ����� ��� �� �� ��/

B�12 :2 =�+������� � �� +!�� ������ � � �� ��������� � ��

����� � � ��� ���� ����! �� �� ��+ �!��� ��� �� ����! ��

�� +!����� �! : � �� �� ��+� ��� � � '�*# �� -�.� � � '�88 ��-�.� � � '�E# �� -�.2

B�12 82 ��+�� � ����� � �� +!����� !� � ������ ���� ��!

������1 �+ �� 1� �� �����( ��&� 8 -� � '�;# ��� ��+ �!��� &2:*K.� ��&� 9 -� � '�;# ��� ��+ �!��� E2$& K.2

88' +, �-�� �� ��, . /��)� �� 0���� � 1������ 2$3 45##�6 $2"7$$�

��+��� ��� �B��+���*�&� ����2 5��! �� ����!/���� � �� ����! �� �� �� �� ��������� �� ;'L� �� ������� ��� 1!��+� !� ����+��� ��� K �

�! �2 J� �� ����+���� � � &A* � �� ������� ��� 1!��+� !� ����+��� ��� � � �� !�� &A* �+������� ���� �� �� ����� � �� �������� !� �� ��������� � ������� ��� 1!��+� ��� � �� ����/� ��� �� �� '�;8 ������*2 ����� �� �� ���+ ! ����� �� ������� � � �� �� ����� � �� ����������'�; ������*�� �� ���!� �� � � �������! ����� ���� �� �� ���+!������ �� ��1��)� �� �� � �� �1� �� ������ !�� �0��� ��� �� �� �� �+��� /������� ������ ���1 �� ��2 B�!��! ����� ����� �������� �� !��� � �� +������ ��!��1��2�� ����������� �� ���� ��� +�������� �

�! ��������� � ��� ��� � ������ ���� ��������� � ��1� � �� ��������1 � �0��� ��� !� �������� � ++!�+!� �� �� ���� � ��!� �2 �� �� �� ����� ��!� �� ���� ���� +���������� � � �1�� ���� �� �� ��� ��� � ������ ���� �� �0+������� �� �� ���� �� �� ���� � ����� +!����� � ������� � !� ����� �� 1���! �� ����� � ��1� ���� ������ ��� � 1������2

����������

7#9 52�2 ,��!��� %2 ���!2 ����2 #E -#$E<. #:2

7&9 52�2 ,��!��� ������� #<: -#$<&. E*82

7*9 52K2 � ����� 52I2 � ��������� K ��!� &&: -#$<'.

:*:2

789 @2 ����!�� �2�2 51� ���� 42�2 �!������ K ��!� **< -#$;$.

&882

7:9 2@2 �������� K ��!� *&$ -#$;<. E#$2

7E9 �2�2 51� ���� 42�2 �!������ 5242 ? �)���� 2 @����� @2

����!�� ?���� = *$ -#$;$. *;2

7<9 =2 ,������� I2 5!�! � %2 I ������ 42 P� �+� !� �2

��� ���!� K ��!� *:# -#$$#. #*&2

7;9 52?2 I�����!�� 62 ���������� %2/I2 P����� �2�2 51� ����

42�2 �!������ ?��2 "��2 3 :' -#$$8. EE<2

7$9 "2 ����� � �2 � � ��� �2 � � 1���� 2 ������ %2

5�2 6��2 ���2 ##; -#$$E. :#*82

7#'9 "2 ����� � 32 ������ � �2 � � 1���� 6 �� $ -#$$$.

&E'2

7##9 ��2 K 1�/O�1�� ! �� %2 O�1�� ! �� �262 I�����!� �2%2 ���� %2

6��2 ?��2 $< -#$$&. #''82

7#&9 �52 ����� 42 P� �+� !� �2 ��� ���!� %2 ?��2 6��2 $;-#$$8. :&&2

7#*9 "2"2 5����� �2�2 51� ���� ?���� = :' -#$$#. E:2

7#89 �2 ����� � � "2 5� ! � �2 51� ���� %2 ?��2 6��2 5

#'& -#$$;. <E8$2

7#:9 �2 ������� �2 ��������� 2 �� � ��� %2 ?��2 6��2 5

#'8 -&'''. EE'&2

+, �-�� �� ��, . /��)� �� 0���� � 1������ 2$3 45##�6 $2"7$$� 88#