化学实验中的图灵斑图
2015-01-12李桂林
李桂林
课题背景 1952年，被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵把他的目光转向生物学领域。他在著名论文《形态形成的化学基础》中，从数学角度表明，在反应扩散系统中，稳定均态会在某些条件下失稳，并自发产生空间定态图纹。此过程被后人称为“图灵斑图”。图灵用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹（如斑马身上的斑图）是怎样产生的。
蓝瓶子、红瓶子、花瓶子实验是化学中的经典实验。在做蓝瓶子实验时，我们意外发现其有时会形成一种波形图案，把蓝瓶子、红瓶子实验的溶液多次倒在培养皿等器皿中，结果在培养皿中看到了较稳定的波形图案。
蓝瓶子实验的配方：水100g，葡萄糖2g，NaOH 2g，2%亚甲蓝3～5滴，置于250mL锥形瓶中。蓝瓶子实验操作：振荡溶液时其呈蓝色，静置时蓝色慢慢褪去变成无色透明液，再振荡又变蓝色……红瓶子和花瓶子的方法、原理、现象等相近，只是所选氧化还原指示剂及相关颜色不同。
实验步骤
1.温度影响（红瓶子实验，水100mL）
结论：实验发现，温度越高，形成图案所需要的时间越短，20℃、30℃时形成的图案比较漂亮，所以此区间温度是比较适宜的实验温度。
2.浓度影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在30℃左右）
结论：氢氧化钠的理想浓度在4%～6%，葡萄糖加2g左右比较好，碱性藏红花的滴数控制在8滴左右。因为碱性越大，越不能形成斑图；碱性太小，形成斑图所需要时间较长。
3.光照影响（蓝瓶子实验，水100mL，水温控制在20℃左右）
结论：光照会影响图灵斑图的形状，而且此次图灵斑图呈三维状。
4.电场影响（蓝瓶子实验，水温控制在30℃～40℃）
把蓝瓶子溶液放在电场中，静置片刻后观察现象。
结论：15s后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，并且在实验中这两个螺旋在不停运动，且运动方向是相反的，30s后，这个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体图案。与所有图灵斑图不同的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们的间距相等。说明电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。
5. 磁场影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在15℃左右）
用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也可以用两个条形磁铁来提供磁场。
结论：无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图，在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花。先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外。斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后呈放射状，内密外疏。
另外，对比溶液深度的实验表明，溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅，越容易形成二维的点状图灵斑图。
资料显示，目前世界上共有五个体系能产生图灵斑图，在一个偶然的机会，我们在中学实验室里找到了一种能产生图灵斑图的新体系。偶然的意外，铸成了这样一次美丽的邂逅。
课题背景 1952年，被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵把他的目光转向生物学领域。他在著名论文《形态形成的化学基础》中，从数学角度表明，在反应扩散系统中，稳定均态会在某些条件下失稳，并自发产生空间定态图纹。此过程被后人称为“图灵斑图”。图灵用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹（如斑马身上的斑图）是怎样产生的。
蓝瓶子、红瓶子、花瓶子实验是化学中的经典实验。在做蓝瓶子实验时，我们意外发现其有时会形成一种波形图案，把蓝瓶子、红瓶子实验的溶液多次倒在培养皿等器皿中，结果在培养皿中看到了较稳定的波形图案。
蓝瓶子实验的配方：水100g，葡萄糖2g，NaOH 2g，2%亚甲蓝3～5滴，置于250mL锥形瓶中。蓝瓶子实验操作：振荡溶液时其呈蓝色，静置时蓝色慢慢褪去变成无色透明液，再振荡又变蓝色……红瓶子和花瓶子的方法、原理、现象等相近，只是所选氧化还原指示剂及相关颜色不同。
实验步骤
1.温度影响（红瓶子实验，水100mL）
结论：实验发现，温度越高，形成图案所需要的时间越短，20℃、30℃时形成的图案比较漂亮，所以此区间温度是比较适宜的实验温度。
2.浓度影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在30℃左右）
结论：氢氧化钠的理想浓度在4%～6%，葡萄糖加2g左右比较好，碱性藏红花的滴数控制在8滴左右。因为碱性越大，越不能形成斑图；碱性太小，形成斑图所需要时间较长。
3.光照影响（蓝瓶子实验，水100mL，水温控制在20℃左右）
结论：光照会影响图灵斑图的形状，而且此次图灵斑图呈三维状。
4.电场影响（蓝瓶子实验，水温控制在30℃～40℃）
把蓝瓶子溶液放在电场中，静置片刻后观察现象。
结论：15s后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，并且在实验中这两个螺旋在不停运动，且运动方向是相反的，30s后，这个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体图案。与所有图灵斑图不同的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们的间距相等。说明电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。
5. 磁场影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在15℃左右）
用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也可以用两个条形磁铁来提供磁场。
结论：无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图，在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花。先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外。斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后呈放射状，内密外疏。
另外，对比溶液深度的实验表明，溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅，越容易形成二维的点状图灵斑图。
资料显示，目前世界上共有五个体系能产生图灵斑图，在一个偶然的机会，我们在中学实验室里找到了一种能产生图灵斑图的新体系。偶然的意外，铸成了这样一次美丽的邂逅。
课题背景 1952年，被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵把他的目光转向生物学领域。他在著名论文《形态形成的化学基础》中，从数学角度表明，在反应扩散系统中，稳定均态会在某些条件下失稳，并自发产生空间定态图纹。此过程被后人称为“图灵斑图”。图灵用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹（如斑马身上的斑图）是怎样产生的。
蓝瓶子、红瓶子、花瓶子实验是化学中的经典实验。在做蓝瓶子实验时，我们意外发现其有时会形成一种波形图案，把蓝瓶子、红瓶子实验的溶液多次倒在培养皿等器皿中，结果在培养皿中看到了较稳定的波形图案。
蓝瓶子实验的配方：水100g，葡萄糖2g，NaOH 2g，2%亚甲蓝3～5滴，置于250mL锥形瓶中。蓝瓶子实验操作：振荡溶液时其呈蓝色，静置时蓝色慢慢褪去变成无色透明液，再振荡又变蓝色……红瓶子和花瓶子的方法、原理、现象等相近，只是所选氧化还原指示剂及相关颜色不同。
实验步骤
1.温度影响（红瓶子实验，水100mL）
结论：实验发现，温度越高，形成图案所需要的时间越短，20℃、30℃时形成的图案比较漂亮，所以此区间温度是比较适宜的实验温度。
2.浓度影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在30℃左右）
结论：氢氧化钠的理想浓度在4%～6%，葡萄糖加2g左右比较好，碱性藏红花的滴数控制在8滴左右。因为碱性越大，越不能形成斑图；碱性太小，形成斑图所需要时间较长。
3.光照影响（蓝瓶子实验，水100mL，水温控制在20℃左右）
结论：光照会影响图灵斑图的形状，而且此次图灵斑图呈三维状。
4.电场影响（蓝瓶子实验，水温控制在30℃～40℃）
把蓝瓶子溶液放在电场中，静置片刻后观察现象。
结论：15s后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，并且在实验中这两个螺旋在不停运动，且运动方向是相反的，30s后，这个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体图案。与所有图灵斑图不同的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们的间距相等。说明电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。
5. 磁场影响（红瓶子实验，水100mL，水温控制在15℃左右）
用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也可以用两个条形磁铁来提供磁场。
结论：无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图，在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花。先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外。斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后呈放射状，内密外疏。
另外，对比溶液深度的实验表明，溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅，越容易形成二维的点状图灵斑图。
资料显示，目前世界上共有五个体系能产生图灵斑图，在一个偶然的机会，我们在中学实验室里找到了一种能产生图灵斑图的新体系。偶然的意外，铸成了这样一次美丽的邂逅。
