Collective Behavior and Spatiotemporal Dynamics in Chemical Systems

化学系统中的集体行为和时空动力学

基本信息

项目摘要

In this project, funded by the Chemical Structure, Dynamics and Mechanisms Program of the Division of Chemistry, the Professor Kenneth Showalter of West Virginia University and his students will investigate three main lines of research: (i) the dynamics and collective behavior of self-propelled particles, (ii) the propagating target and spiral waves in precipitation reactions, and (iii) the synchronization behavior in populations of coupled chemical oscillators. In the first project, studies of collective behavior in populations of self-propelled particles, such as Pt-silica particles in hydrogen peroxide solutions, are carried out to determine the mechanism of inter-particle interactions. New self-propelled particle systems based on enzyme catalysis and surface catalyzed reactions are being developed and the motion of n-mer particle aggregates is being characterized. In the second project, studies of recently discovered propagating waves in the precipitation front of the NaOH-AlCl3 reaction are conducted. The positive feedback giving rise to the propagating wave behavior is being characterized and new precipitation systems exhibiting propagating waves are being developed. The third project involves studies of populations and networks of coupled chemical oscillators. The theoretically predicted chimera state, with coexisting subpopulations of synchronized and unsynchronized oscillators, is studied experimentally and computationally by using light-sensitive, catalyst-loaded particles in catalyst-free Belousov-Zhabotinsky reaction mixtures. Self-optimization of link weights in biomimetic networks of oscillators controlled with an algorithm for spike-timing dependent plasticity is also being studied. All three lines of research are expected to yield new and important information about collective behavior and spatiotemporal dynamics in chemical systems and offer valuable insights into dynamic behavior in biological systems. The studies of self-propelled particles will provide mechanistic insights into the propulsion and interaction of biological unicellular organisms, such as bacteria and algae. The studies of propagating target and spiral waves in precipitation systems will offer new mechanisms for chemical wave propagation that rely on structural features of the medium, much like wave propagation in many biological systems. The studies of new states of coexisting synchronized and unsynchronized coupled chemical oscillators and self-optimization in networks of chemical oscillators provide insights into basic dynamical behaviors pervasive in living systems. The research program is expected to have a broad local impact from the integration of research and teaching into the university curriculum. The impact of the work is further broadened through outreach activities involving the International Center for Theoretical Physics that bring hands-on research experiences to scientists in developing countries in Asia, Africa, and South and Central America.
在这个由化学系化学结构、动力学和机制项目资助的项目中,西弗吉尼亚大学的肯尼思·肖沃尔特教授和他的学生将研究三个主要研究方向:(i)自体的动力学和集体行为。推进粒子,(ii)沉淀反应中的传播目标波和螺旋波,以及(iii)耦合化学振荡器群体中的同步行为。在第一个项目中,研究了自驱动粒子群体(例如过氧化氢溶液中的铂二氧化硅粒子)的集体行为,以确定粒子间相互作用的机制。基于酶催化和表面催化反应的新型自推进颗粒系统正在开发中,并且正在表征 n 聚体颗粒聚集体的运动。在第二个项目中,对最近发现的 NaOH-AlCl3 反应沉淀前沿的传播波进行了研究。引起传播波行为的正反馈正在被表征,并且正在开发表现出传播波的新降水系统。第三个项目涉及耦合化学振荡器的群体和网络的研究。通过在无催化剂的 Belousov-Zhabotinsky 反应混合物中使用光敏、负载催化剂的粒子,通过实验和计算研究了理论上预测的嵌合状态,以及同步和不同步振荡器的共存亚群。还研究了由尖峰时序相关可塑性算法控制的仿生振荡器网络中链路权重的自优化。所有这三个研究领域都有望产生有关化学系统中集体行为和时空动力学的新的重要信息,并为生物系统中的动态行为提供有价值的见解。自驱动粒子的研究将为生物单细胞生物(例如细菌和藻类)的推进和相互作用提供机制见解。对降水系统中传播目标波和螺旋波的研究将为依赖于介质结构特征的化学波传播提供新的机制,就像许多生物系统中的波传播一样。对共存的同步和不同步耦合化学振荡器的新状态以及化学振荡器网络中的自优化的研究提供了对生命系统中普遍存在的基本动力学行为的见解。通过将研究和教学融入大学课程,该研究计划预计将在当地产生广泛的影响。通过涉及国际理论物理中心的外展活动,这项工作的影响进一步扩大,这些活动为亚洲、非洲、南美洲和中美洲发展中国家的科学家带来了实践研究经验。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Kenneth Showalter其他文献

Effect of excitability on partially pinned scroll waves in excitable chemical media.
兴奋性对可兴奋化学介质中部分钉扎滚动波的影响。
  • DOI:
    10.1103/physreve.108.054201
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Kritsana Khaothong;J. Osaklung;Malee Sutthiopad;J. Luengviriya;Kenneth Showalter;C. Luengviriya
  • 通讯作者:
    C. Luengviriya
Desynchronization Of Stochastically Synchronized Chemical Desynchronization Of Stochastically Synchronized Chemical Oscillators Oscillators
随机同步化学振荡器的去同步 随机同步化学振荡器的去同步 振荡器
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Razan Snari;M. Tinsley;Dan Wilson;S. Faramarzi;T. Netoff;J. Moehlis;Kenneth Showalter;C. E. Bennett
  • 通讯作者:
    C. E. Bennett
Complex organizing centers in groups of oscillatory particles.
振荡粒子群中的复杂组织中心。
知能化空間における物と物の関係の抽出
智能空间中物体之间关系的提取
  • DOI:
  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Toshiyuki Nakagaki;Makoto Iima;Tetsuo Ueda;Yasumasa Nishiura;Tetsu Saigusa;Atsushi Tero;Ryo Kobayashi;Kenneth Showalter;横井一樹
  • 通讯作者:
    横井一樹
Wave-induced chemical chaos.
波引起的化学混乱。
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.76.546
  • 发表时间:
    1996
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    J. Merkin;Valery Petrov;Stephen K. Scott;Kenneth Showalter
  • 通讯作者:
    Kenneth Showalter

Kenneth Showalter的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Kenneth Showalter', 18)}}的其他基金

Synchronization, Collective Behavior and Spatiotemporal Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的同步、集体行为和时空动力学
  • 批准号:
    1565665
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Spatiotemporal Dynamics and Collective Behavior in Chemical Systems
化学系统中的时空动力学和集体行为
  • 批准号:
    0809058
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Spatiotemporal Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的时空动力学
  • 批准号:
    0415392
  • 财政年份:
    2004
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Spatiotemporal Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的时空动力学
  • 批准号:
    9974336
  • 财政年份:
    1999
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Nonlinear Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的非线性动力学
  • 批准号:
    9531515
  • 财政年份:
    1996
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Nonlinear Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的非线性动力学
  • 批准号:
    9222616
  • 财政年份:
    1993
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Nonlinear Dynamics in Chemical Systems
化学系统中的非线性动力学
  • 批准号:
    8920664
  • 财政年份:
    1990
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing grant
U.S.-Hungary Research on Oscillatory Iodate Oxidation of Sulfite and Ferrocyanide (Chemistry)
美国-匈牙利关于亚硫酸盐和亚铁氰化物的振荡碘酸盐氧化的研究(化学)
  • 批准号:
    8822786
  • 财政年份:
    1989
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Dynamic Instabilities in Simple Chemical Systems
简单化学系统中的动态不稳定性
  • 批准号:
    8613240
  • 财政年份:
    1987
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Continuing grant
US-United Kingdom Cooperative Research: Propagating Reaction-Diffusion Fronts.
美英合作研究:传播反应扩散前沿。
  • 批准号:
    8611461
  • 财政年份:
    1986
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

顾及个体时空行为的人口分布动态模拟与估计
  • 批准号:
    42301527
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于多源数据的流动人口时空行为隔离及其城市融入效应研究
  • 批准号:
    42301255
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    20 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
大山雀双亲抚育行为的时空变异及其驱动因素
  • 批准号:
    32371565
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
都市圈尺度下基于时空知识图谱的人类移动行为规律分析及其规划应用
  • 批准号:
    52308077
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
基于体验式学习理论的游客亲环境行为形成过程、跨时空溢出机制与干预策略研究
  • 批准号:
    72302241
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

Localized mitochondrial metabolic activity in Xenopus mesendoderm cells undergoing collective cell migration
爪蟾中内胚层细胞集体细胞迁移的局部线粒体代谢活性
  • 批准号:
    10751722
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
Contribution of cell mechanics in promoting collective behavior for supracellular migration
细胞力学在促进超细胞迁移集体行为中的贡献
  • 批准号:
    10680022
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
Deciphering mechanisms that drive collective cell migration
破译驱动集体细胞迁移的机制
  • 批准号:
    10917532
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
Quantitative Imaging and Analysis of Bacterial Biofilms from the Single Cell to the Collective
从单细胞到集体的细菌生物膜的定量成像和分析
  • 批准号:
    9803916
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
Spatiotemporal Dynamics of Collective Antibiotic Resistance in Microbial Communities
微生物群落集体抗生素耐药性的时空动态
  • 批准号:
    10675763
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 46.59万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了