Seleção de padrões auto-organizados em modelos de sistemas reacionais

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Miranda, Renan Carneiro Cavalcante de, 1990-
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/10404
Resumo: Orientador: Raphael Nagao de Sousa
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spelling Seleção de padrões auto-organizados em modelos de sistemas reacionaisSelection of self-organized patterns in reaction system modelsModelagemOscilaçõesEletrodissoluçãoCDIMAAuto-organizaçãoModelingOscillationsElectrodissolutionCDIMASelf-organizationOrientador: Raphael Nagao de SousaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Investigamos o fenômeno de auto-organização em duas reações distintas: a eletrodissolução oscilatória do níquel e a reação dióxido de cloro – iodo – ácido malônico (chloride dioxide - iodine - malonic acid, CDIMA). A eletrodissolução oscilatória de níquel é uma entre várias reações utilizadas como sistema-modelo para estudar o surgimento de oscilações e formação de padrões em interfaces eletroquímicas, além de fornecer frequentemente provas experimentais para previsões teóricas em engenharia de sincronização. Embora alguns estudos numéricos tenham sido feitos a este respeito, aparentemente não há nenhuma investigação detalhada sobre o efeito dos parâmetros de controle na complexa dinâmica da dissolução do níquel. Neste trabalho, fornecemos uma análise detalhada e rigorosa do efeito da resistência externa e do potencial aplicado através de diagramas de fase de alta resolução baseados no cálculo de expoentes Lyapunov e diagramas de período morfológico. Os nossos resultados indicam claramente uma forte dependência das ilhas periódicas auto-similares, os chamados shrimps (i.e., ilhas periódicas dentro de domínios caóticos no espaço paramétrico), com os parâmetros de controle. Especialmente, observamos uma baixa densidade de estruturas periódicas nos diagramas de fase, sendo completamente suprimidas para grandes valores de resistência e potencial. As estruturas do tipo shrimp tornam-se gradualmente alongadas com um aumento dos parâmetros de controle, e com um aumento extremo dos parâmetros de controle se tornam bandas periódicas alinhadas diagonalmente entrelaçadas com domínios caóticos. Curiosamente, foram observadas cascatas de duplicação de período não só nos shrimps, mas também nas bandas periódicas. Na segunda parte deste trabalho, exploramos numericamente o impacto que o controle de retroalimentação global com retardo tem sobre um modelo 1D da reação CDIMA, um sistema auto-organizado de reação-difusão fotossensível. A retroalimentação implementada usa dados químicos de todo o sistema a fim de determinar a intensidade da iluminação. Estabilizamos primeiro padrões de Turing sem retroalimentação. Estes padrões de Turing podem ser afetados pelo controle, alterando a sua forma e concentrações de espécies químicas. A aplicação de controle também pode desestabilizar este comportamento, induzindo oscilações uniformes na concentração. Depois, os parâmetros de controle (força de retroalimentação e tempo de atraso efetivo) foram variados a fim de investigar como ocorre esta transição, acompanhando os seus efeitos ao longo da distribuição e dinâmica das concentrações. As tendências observadas foram racionalizadas com o apoio de uma análise de estabilidade linear. E por último, este estudo também relata o aparecimento de comportamentos dinâmicos e espaciais mais complexos que aparecem quando se empregam forças de retroalimentação maiores próximas às bifurcações de Hopf e Turing. Esses diagramas de fase podem ser de grande ajuda para a seleção de um padrão espacial ou temporal específico que experimentalmente pode resultar em um material auto-organizado de interesse. Em eletrodissolução pode-se gerar eletrodos porosos, em eletrodeposição, filamentos, e no caso de reações fotossensíveis com o controle de luz, o crescimento de material poderia ser mediado, por exemplo, por fototropismo. Ademais, o experimento suportado com um estudo teórico prévio pode tornar os experimentos mais direcionados, os tornando menos dispendiososAbstract: We investigate periodicity and self-organization in parameter phase diagrams for two distinct types of reaction systems, the oscillatory electrodissolution of nickel, where we have studied the dynamical behavior through time series, and have encountered simple and mixed-mode oscillations, as well as chaos. The other system is the CDIMA reaction using global delayed feedback, and here we are also interested in the spatial part of the solutions, and we study the breaking of spatial symmetry, and the formation of self-organized spatio-temporal patterns. The oscillatory electrodissolution of nickel is one among several reactions utilized as a model-system to study the emergence of oscillations and pattern formation in electrochemical interfaces, in addition to frequently providing experimental proofs for theoretical predictions in synchronization engineering. Although some numerical studies have been done in this regard, there is apparently no detailed investigation of the effect of control parameters on the complex dynamics of nickel dissolution. Here, we provide a well-detailed and rigorous analysis of the effect of the external resistance and applied potential by simulating high-resolution phase diagrams based on the calculation of Lyapunov exponents and isospike diagrams. Our findings clearly indicate a strong dependence of the self-similar periodic islands, the so-called shrimps (i.e., periodic islands within chaotic domains in the parameter space), with the control parameters. Overall, we have observed a low density of periodic structures in the phase diagrams, being completely suppressed for large values of resistance and potential. The shrimp-like structures become gradually elongated with an increase of the control parameters to the point where only diagonally aligned periodic bands intertwined with chaotic domains are present. Interestingly, period-doubling cascades were observed not only on the shrimps but also on the periodic bands. The detailed distribution of chaos and periodicity of oscillatory electrodissolution reactions in resistance-potential phase diagrams can bring, for instance, important information to experimentalists to set a desired dynamic behavior and, therefore, to create novel nanostructured self-organized materials. In the second part of this work, we numerically explore the impact that global delayed feedback control has upon a 1D model of CDIMA reaction, a self-organized photosensitive reaction-diffusion system. The implemented feedback employs chemical data from the entire system in order to determine the light intensity. We first establish Turing patterns with no feedback. These Turing patterns can be affected by control, changing their shape and chemical species concentrations. The application of control can also destabilize this behavior by inducing uniform oscillations in concentration. Then, parameters of control (feedback intensity and delay time interval) were varied to investigate how this transition occurs, tracking their effects across the distribution and dynamics of concentrations. The observed tendencies were rationalized with the support of a linear stability analysis. At last, this study reports the emergence of more complex spatial-dynamic behaviors that appears when larger feedback strengths are employed, near the Hopf and Turing bifurcations. These phase diagrams can be helpful for the selection of a specific spatial or temporal pattern that experimentally can result in a self-organized material of interest. In electrodissolution one can generate porous electrodes, in electrodeposition, filaments, and in the case of light-controlled photosensitive reactions, material growth can be mediated, for instance, by phototropism. In addition, the experiment supported with a prior theoretical study can make the experiments more aimed, thereby make them less wastefulDoutoradoFísico-QuímicaDoutor em CiênciasCAPES88887.372949/2019-00[s.n.]Sousa, Raphael Nagao de, 1984-Morgon, Nelson HenriqueRosa, Paulo de Tarso Vieira eBoscheto, Emerson PaulinhoMachado, Eduardo GiangrossiUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de QuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASMiranda, Renan Carneiro Cavalcante de, 1990-20232023-03-27T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (176 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/10404MIRANDA, Renan Carneiro Cavalcante de. Seleção de padrões auto-organizados em modelos de sistemas reacionais. 2023. 1 recurso online (176 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/10404. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1338993porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-06-16T11:11:20Zoai::1338993Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2023-06-16T11:11:20Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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