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dc.contributor.authorSilva-Dias, Leonardo
dc.date.accessioned2024-07-29T18:55:07Z
dc.date.available2024-07-29T18:55:07Z
dc.date.issued2024-07-16
dc.identifier.citationSILVA-DIAS, Leonardo. Sistemas químicos auto-organizados: morfogênese e formação de padrões. 2024. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/20272.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/20272
dc.description.abstractChemical systems maintained far from equilibrium, with spatially extended reaction domains, and composed of chemicals that interact non-linearly with each other, can spontaneously evolve to organized states of low entropy, known as dissipative structures. These structures are commonly observed in living organisms, and the most notable are: periodic oscillations of chemical concentration, chemical chaos, chemical waves, and stationary patterns (Turing patterns). This class of self-organized chemical systems comprises a significant number of inorganic chemical reactions with well-known mechanisms. Due to this fact, along with the dynamical similarities of these reactions to living organisms' dynamics, and the complexity of reaction mechanisms in chemical-biological processes, inorganic chemical systems are often considered in studies of dynamical phenomena in different scenarios in order to obtain results that can be extrapolated to understanding similar phenomena in living systems. From this perspective, this thesis presents an investigation of morphogenesis and spatio-temporal pattern formation in conditions that are either relevant or motivated by biology. This is accomplished through four main works. In the first, we investigated the emergence of Turing patterns in the chlorine dioxide–iodine–malonic acid (CDIMA) reaction in a domain that continuously grows as a rotating spiral. From this study, we observed the formation of a new class of stationary spiral patterns with different multiplicities. In the second, we evaluated the effects of Faraday waves on the formation of chemical waves in the Belousov-Zhabotinsky reaction, aiming to discriminate acoustic frequencies through the spatio-temporal dynamics of the reaction. We noted that Faraday waves interfere with the local process of mixing, altering the speed and morphology of the chemical waves. However, this system was ineffective in discriminating the applied acoustic frequencies. In the third work, we developed a simple and practical procedure to obtain transient Turing patterns in a batch system from the CDIMA reaction. From such an experimental procedure, we obtained patterns with good resolution and stability. Finally, in the fourth one, we proposed a model based on the classical theory of phase separation and reaction-diffusion systems to describe morphogenesis in a system of synthetic chemical cells. Through numerical simulations, we were able to elucidate the physical-chemical mechanism of this process and to identify that the difference in osmotic pressure between two cells in different chemical states, due to the break of spatial symmetry caused by the emergence of a Turing state, triggers the physical morphogenesis.eng
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectDinâmica química não linearpor
dc.subjectEstruturas dissipativaspor
dc.subjectOscilações químicaspor
dc.subjectOndas químicaspor
dc.subjectPadrões de Turingpor
dc.subjectNonlinear chemical dynamicseng
dc.subjectDissipative structureseng
dc.subjectChemical oscillationeng
dc.subjectChemical waveseng
dc.subjectTuring patternseng
dc.titleSistemas químicos auto-organizados: morfogênese e formação de padrõespor
dc.title.alternativeSelf-organized chemical systems: morphogenesis and pattern formationeng
dc.typeTesepor
dc.contributor.advisor1Castillo, Alejandro Lopez
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2599181118729458por
dc.description.resumoSistemas químicos afastados do equilíbrio termodinâmico, com domínio reacional espacialmente estendido e compostos por espécies químicas em que a dinâmica de interação é não linear, podem evoluir espontaneamente para estados organizados de baixa entropia, conhecidos como estruturas dissipativas. Tais estruturas são comumente observadas em organismos vivos, sendo os exemplos mais notáveis: oscilações periódicas temporais de concentração, caos químico, ondas químicas e padrões estacionários (padrões de Turing). Esta classe de sistemas químicos auto-organizados é composta por um número significativo de reações de natureza inorgânica que apresentam mecanismos reacionais bem conhecidos. Devido a este fato, à similaridade do comportamento dinâmico dessas reações com a dinâmica observada em organismos vivos, e à complexidade dos mecanismos reacionais dos processos químicos-biológicos, sistemas químicos inorgânicos são frequentemente considerados em investigações de fenômenos dinâmicos em diferentes cenários, a fim de obter resultados que possam ser extrapolados para a compreensão de fenômenos similares em sistemas vivos/biológicos. Partindo dessa premissa, este trabalho de doutorado apresenta investigações sobre a morfogênese e a formação de padrões espaço-temporais em condições de relevância ou motivação biológica. Isso é realizado por meio de quatro trabalhos. O primeiro deles investigou a emergência dos padrões de Turing na reação dióxido de cloro - iodo - ácido malônico (CDIMA) em um sistema em que o domínio reacional cresce como uma espiral giratória. A partir desse estudo, observou-se uma nova classe de padrões estacionários em forma de espirais com diferentes multiplicidades. O segundo trabalho avaliou os efeitos da presença de ondas de Faraday na formação de ondas químicas da reação Belousov-Zhabotinsky, com o objetivo de determinar frequências acústicas por meio da dinâmica espaço-temporal da reação considerada. Verificou-se que as ondas de Faraday interferem no processo de mistura local, alterando a velocidade de propagação e a forma das ondas químicas. No entanto, esse sistema teve baixa eficiência na determinação das frequências acústicas aplicadas. O terceiro trabalho desenvolveu um procedimento simples e prático para a obtenção de padrões de Turing (transientes) estáveis em um sistema fechado a partir da reação CDIMA. Tal procedimento obteve resultados mais satisfatórios do que aqueles encontrados na literatura, gerando padrões de Turing com boa resolução e estabilidade de aproximadamente 80 minutos. Por fim, o quarto trabalho determinou um modelo teórico a partir da combinação da teoria clássica de separação de fases e sistemas de reação-difusão para descrever a morfogênese em células químicas sintéticas. Através de simulações numéricas, foi possível elucidar o mecanismo físico-químico desse processo e constatar que a diferença de pressão osmótica entre duas células químicas em estados químicos diferentes, devido à quebra de simetria espacial causada pela emergência do estado de Turing, leva à morfogênese física.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQpor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICApor
dc.description.sponsorshipId2019/23205-3por
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2923386173329657por
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0003-0535-6666por


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