介观化学体系

介观化学体系

非线性动力学研究中国科技大学化学物理系合肥微尺度物质科学国家实验室2006

侯中怀非线性动力学现象

--化学反应体系在远离平衡条件下,由非线性作用,自发形成的各类时空有序结构化学振荡(ChemicalOscillation)

时空斑图(Pattern)

化学波(ChemicalWaves)

化学混沌(ChemicalChaos)大量分子的统计行为非线性动力学现象合成基因网络中的化学振荡Nature2002心肌细胞中的钙螺旋波Nature1998CO表面催化体系中时空混沌Science2001NO表面催化体系中螺旋波Chem.Rev.1995化学振荡化学斑图化学波化学混沌BZ反应体系动态图灵斑图PNAS20034nm钯粒子表面CO催化氧化反应速率振荡Catal.Today2003Pt表面CO催化体系中元胞斑图PRL2001脑电图重构的混沌吸引子

Chaos2001非线性化学现象复杂性功能表面催化过程的活性，速率和选择性……基因表达与调控，神经信息传递，钙信号编码与解码，……

结构复杂性-空间无序-拓扑无序

动力学复杂性

环境涨落

内涨落问题??如何形成有什么用研究内容复杂网络体系非线性动力学介观化学体系内涨落效应介观化学体系内涨落介观化学反应体系N,V～内涨落强度内涨落（体系尺度）非线性动力学?LivingCellNano-Particles噪声的积极效应L.Gammaitoni,P.Hanggi,et.alReviewModernPhysics70,223,1998随机共振:StochasticResonance噪声诱导螺旋波转变Z.Hou,et.alPhys.Rev.Lett.81,2854(1998)空间无序导致有序Z.Hou,H.Xin

Phys.Rev.Lett.89,280601(2002)内涨落的研究：随机方法

N种物质，M个反应，体积为V，均项反应化学朗之万方程（CLE）：D.T.Gillespie,J.Chem.Phys.113,297(2000)内涨落随机共振：最佳尺度效应OptimalSystemsizeformesoscopicchemicaloscillationZ.Hou,H.Xin.ChemPhysChem5,407(2004)布鲁塞尔振子：InternalNoiseStochasticResonanceinaCircadianClockSystemZ.Hou*,H.Xin.J.Chem.Phys.119,11508(2003)最佳尺度效应OptimalParticleSizeforRateOscillationinCOOxidation

onNanometer-SizedPalladiumParticles

Y.Gong,Z.Hou*,H.Xin.J.Phys.Chem.B108,17796(2004)InternalNoiseStochasticResonanceofSyntheticGeneNetwork

Z.Wang,Z.Hou*,H.Xin.Chem.Phys.Lett.401,307(2005)EffectsofInternalNoiseforrateoscillationsDuringCOOxidationonPlatinumSurface

Y.Gong,Z.Hou*,H.Xin.J.Chem.Phys.122,134708(2005)最佳尺度效应：理论解释分叉点附近：NormalForm化学朗之万方程：确定性行为：超临界Hopf分岔：理论解释（续）随机平均(StochasticAveraging)：等效噪声强度：耦合项：Stochastic-AveragedNormalForm理论解释（续）径向相关函数估计：最可几值：内涨落诱导振荡：理论解释（续）角度方程：角度相关函数估计：理论解释（续）功率谱：总相关函数：最佳尺度：信噪比SNR：理论解释（续）理论解释（小结）InternalNoiseCoherentResonanceforMesoscopicChemicaloscillations:aFundamentalStudyZ.Hou,T.Xiao,H.Xin.ChemPhysChem(Accepted2006)较大较规则NormalForm普适结果共性+个性内涨落随机双共振：尺度选择效应SystemSizeBiresonanceforIntracellularCalciumSignalingJ.Zhang,Z.Hou*,H.Xin.ChemPhysChem5,1041(2004)细胞内钙振荡：N个HH神经元的耦合体系……SSSSN

Log(S)Double-System-SizeResonanceforSpikingActivityofCoupledHHNeuronsM.Wang,Z.Hou*,H.Xin.ChemPhysChem5，1602(2004)耦合神经元体系：双重尺度效应研究内容复杂网络体系非线性动力学介观化学体系内涨落效应两类复杂网络P(k)~k-3小世界网络(SmallWorld)Nature393,440(1998)无标度网络(ScaleFree)Science286,509(1999)MetabolicNetworkNodes:chemicals(substrates)Links:bio-chemicalreactionsNature,407,651(2000)YeastproteinnetworkNodes:proteinsLinks:physicalinteractions(binding)Nature403,623-7(2000).PotentialLandscapeofLJClusterNodes:MinimumLinks:TransitionStatesJonathanP.K.Doye,Phys.Rev.Lett.88,238701(2002)拓扑结构动力学行为基因网络蛋白质网络神经元网络......大分子网络生化反应网络势能面网络......渗流网络分形网络Johnson-Junction......InternetWWWSARS传播网络文献引用网络......?拓扑无序驯服混沌：振子网络OrderingChaosbyRandomShortcutsF.Qi,Z.Hou*,H.Xin.Phys.Rev.Lett.91,064102(2003)OrderingSpatiotemporalChaosinComplexNeuronNetworksM.Wang,Z.Hou*,H.Xin.ChemPhysChem7，579(

Mar2006)拓扑无序驯服混沌：神经元网络OscillatorDeathofSmall-WorldNetworksZ.Hou