reactiediffusiepatronen

Reactiediffusiepatronen zijn ruimtelijke patronen die ontstaan in systemen waar chemische reacties plaatsvinden en stoffen tegelijk diffunderen. Bij dergelijke reactiediffusiesystemen kan een ogenschijnlijk homogene concentratie onstabiel worden doordat de diffusie verschillende reacties versterkt in plaats van corrigeert, wat leidt tot periodieke structuren zoals strepen, stippen of labyrinthine vormen. Vaak worden twee of meer chemische soorten betrokken, bijvoorbeeld een activator die de reactie stimuleert en een inhibitor die die stimulatie afremt, met verschillende diffusiesnelheden die patroonvorming mogelijk maken.

Het concept werd in 1952 door Alan Turing geïntroduceerd in The Chemical Basis of Morphogenesis. Hij toonde aan dat diffusive interacties een stabiele homogene toestand onder bepaalde voorwaarden kunnen destabiliseren, waardoor een patronenrijk, niet-homogeen eindtoestand kan ontstaan zonder precieze randvoorwaarden. Sindsdien is het begrip uitgebreid naar meerdere soorten reacties en complexere netwerken, en wordt het vaak aangeduid als Turing-patronen of diffusie-ontstekingen.

Toepassingen en voorbeelden bevinden zich zowel in de biologie als in de chemie. In de natuur verklaren reactiediffusiepatronen vlekken en strepen op dierenhuiden en andere morfologische kenmerken. In laboratoria en materialenwetenschap worden vergelijkbare mechanismen bestudeerd om gecontroleerde patronen te realiseren in chemische systemen en op microschaal structuren. Wiskundig worden de systemen vaak beschreven met reactiediffusie-vergelijkingen, waarin de evolutie van concentraties afhangen van zowel reacties als diffusiestromen: ∂u/∂t = f(u,v) + Du∇^2u, ∂v/∂t = g(u,v) + Dv∇^2v. Diffusiesnelheidsverschillen bepalen mede welke patronen mogelijk zijn.