1螺旋波
螺旋形态在自然界中广泛存在，如银河系、田螺外形、动植物体表花纹等，在BZ反应化学体系首次发现螺旋波使得对这些有趣的显现的研究在实验上实现了可能。1971年Winfree和Zhabotinsky首先公布了BZ反应介质中螺旋波的照片[10,11](如图2所示)。上世纪70年代的研究工作主要集中于在封闭体系内对螺旋波作定性描述。80年代末到90年代初，随着实验技术及理论研究的发展，螺旋波研究逐渐开始在二维开放系统中进行实验研究[9]，相应的研究成果也得到了极大的提升，这些实验结果很好地验证了一些螺旋波动力学理论的预测，并进一步推动了此领域的理论发展。与靶形波不同，人们在BZ反应体系中发现的螺旋波以同样的周期、波长和速度传播，这使得螺旋波在传播过程中保持了其形状的稳定性。这一特性极大的引起了科学家的注意，Field和Noyes用Fisher-Kolmogorov公式表征了波的传播速度[12]。螺旋波一旦产生便能够维持下去，Winfree就注意到了螺旋波围绕转动的核心并不是静止不动，而是以一定的方式移动的，在早期的研究中并把此现象定义为波尖“漫游”[11]。当波尖移动混乱时，螺旋波就会失稳导致整个体系的有序状态被打破，而形成化学时空混沌。随后，人们发现螺旋波的波尖运动轨迹可以是规则的圆，在不同的条件下液会运动轨迹也会呈现出外滚圆或者内滚圆，甚至呈现出错综复杂的“花”型图案[12]。人们还发现在非均相介质中，螺旋波可以自发地产生，而在均相的介质中，自发产生螺旋波很难，此时用物理或化学诱导激发可以产生靶形波，然后将靶波的波壁打破，脉冲波会沿着断裂端点自发旋卷形成螺旋波[9,13]。在反应－扩散介质中，改变实验条件会出现螺旋波的多普勒失稳和长波波壁失稳[14,15]。在可激发三维介质中，非线性化学波可自组织成漩涡状的斑图，形成三维卷波。三维卷波可以看作是一系列的螺旋波叠加而成的具有空间状态的螺旋波。另外，人们还研究了在反应-扩散与不同介质物理场等形式的多场耦合条件下对化学波的形成、发展的影响。而且这一方面的研究越来越受到人们的重视，，例如心颤与心电信号中的螺旋波有关系，生物体系细胞中的钙离子波对生物体有重要影响等而且当今人们暴露在越来越多越来越复杂的电磁波、噪音、环境污染等环境下，人们的健康问题受到重视；还有许多动物能应用地球微弱的磁场来确定海洋中的迁徙路线等，对这些问题的研究都需要一些现实的模板，外界对生物体可能会产生怎样的影响的实验手段还很缺乏，而BZ介质中化学波的研究在实际实验操作上提供了可能，这一研究必将对自然界带来巨大的影响。
2多臂螺旋波
美国Brandeis大学非线性课题研究小组将BZ反应置于微乳液介质中，形成BZ-AOT组合体系，在这个体系中得到了Turing图案和一些以前未曾发现过的自组织现象[18]，如图3所示。在这些图案现象中，除了首次发现BZ体系中的Turing图案外，还包括靶形波，螺旋波，持续行进波外，和一些以前在其它情况下未曾出现过的簇状波(有一些振荡区域组成)。其它介质中进行的反应体系中出现的化学波往往以恒定速率在介质中传播，相互碰撞时发生湮灭，而在BZ-AOT体系中产生的一些化学波却不同，它们相互靠近时呈加速度运动形式，相撞后又以一定方向分开；簇状波与电磁波类似；反螺旋波相互靠近中心而不是远离中心；非连续波中活性区域与惰性区域交替出现等等。目前，关于在可激发介质内可以产生多臂螺旋波的研究理论进展十分迅速[20,21]。王继昌借用三变量的Oregonator模型研究了可激发BZ反应介质内光引发的斑图形成[22]，得知在BZ体系动力学分岔点附近光照将导致斑图的形成。Zaritski等借用FHN类模型研究了二维可激发体系的稳定螺旋波结构的形成和波臂间的相互作用[23]。Vasiev等研究了可激发体系内多臂螺旋波的产生及波尖运动规律[24]。除此以外，Zaritski和JinhyoJU等借用了用于描述弱激发介质的几种简单模型研究了多臂螺旋波的自发形成[25]。更多的理论与实验研究表明，螺旋波的动力学行为具有跨系统的普适性规律。研究这些时空自组织行为的形成、演化规律和探索对其实施有效的控制的方法以及在理论的实际方面的应用都是非常重要的课题。此研究对于开发新物质，揭示复杂化学体系的本质、探索自然界生命过程的奥秘有着重要意义。
3结论与展望
化学波是典型的非线性化学行为，更是当今非线性科学研究的重要课题之一。在BZ反应中发现的那些化学波和螺旋波的动力学行为与心脏组织的心动过速，细胞内钙离子浓度变化，视网膜的分布衰减，粘土的富集以及酵母菌在糖降解中的变化都比较类似。因此BZ反应体系为我们提供了易于实现和控制的现实模型系统，有助于进一步研究生物系统的非线性动力学行为。BZ反应为这些生物体系提供了一个模型，从而得到了一个“生物反应”的赞誉。化学波的研究不仅有助于解释自然界中的各种复杂的斑图现象如老虎、花豹、长颈鹿、斑马等生物身上的斑纹的形成，也对生物体系复杂性的研究有巨大的推进作用，在当下已经成为重庆职称了一个热点然就领域。
作者：刘贤斌 吴疆 单位：新疆化工设计研究院
