一．混沌的起源和化學(xué)混沌論的形成過程
“混沌”一詞最初是一個(gè)哲學(xué)概念，源于古中國與希臘的混沌初開無所不包的意思。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，最早被研究天文氣象的科學(xué)家應(yīng)用于天文氣象過程，指人們無法準(zhǔn)確預(yù)見的復(fù)雜的天文氣象現(xiàn)象，目前已被數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以及生物等科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，主要指在確定性系統(tǒng)中出現(xiàn)的“無序性”、“無規(guī)性”和不可預(yù)測性。
早在上一世紀(jì)，人們將碘化鉀溶液加到含有硝酸銀的膠體介質(zhì)中就發(fā)現(xiàn)了所得到的碘化銀沉淀會形成一圈圈規(guī)則間隔的環(huán)這樣一種周期沉淀現(xiàn)象；1873年李普曼報(bào)道了汞心實(shí)驗(yàn)：把汞放在玻璃杯中央，汞附近置一鐵釘，再把硫酸和重鉻酸鉀溶液注人杯中，就會發(fā)現(xiàn)汞球象心臟一樣周期跳動；1921年布雷發(fā)現(xiàn)在碘酸?碘水催化雙氧水分解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以看到該分解反應(yīng)中氧的生成速率和溶液中的碘的濃度都呈周期變化的現(xiàn)象。但是，由于受到傳統(tǒng)的經(jīng)典熱力學(xué)限制以及當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的局限，這些現(xiàn)象并不能被人們解釋，也末引起化學(xué)家們的足夠重視。因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)第二定律：孤立系統(tǒng)的自發(fā)化學(xué)過程總是使系統(tǒng)不可逆地趨向嫡最大的平衡態(tài)(即混沌度最大的狀態(tài))方向進(jìn)行。根據(jù)上述理論，開放系統(tǒng)中上述現(xiàn)象將無法解釋．直到1959年，前蘇聯(lián)化學(xué)家別洛索夫和生物學(xué)家札博廷斯基在著名的B?Z實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了自組織現(xiàn)象，即反應(yīng)分子在宏觀上好像接到某種統(tǒng)一命令，自己組織起來，形成宏觀的空間和時(shí)間上的一致行動。在B?Z實(shí)驗(yàn)巾，將硫酸鈰、乙二酸、溴酸鉀、硫酸和氧化還原指示劑混合，就會發(fā)現(xiàn)溶液一會兒呈紅色(產(chǎn)生過量的Ce離子)，一會兒呈藍(lán)色(產(chǎn)生過量的Ce離子)，像鐘擺一樣作規(guī)則的時(shí)間振蕩〔化學(xué)振蕩或化學(xué)鐘)，有時(shí)也會觀察到非周期的過程(化學(xué)湍流)。這時(shí)才引起了人們對開放系統(tǒng)中類似上述現(xiàn)象中的化學(xué)混沌的重視，并引起人們對經(jīng)典熱力學(xué)理論提出質(zhì)疑。60年代提出的耗散理論，研究了從混沌向有序轉(zhuǎn)化的機(jī)理和規(guī)律。隨著化學(xué)動力學(xué)理論及非線性科學(xué)的發(fā)展，人們才得以正確解釋上述周期振蕩現(xiàn)象，即一個(gè)開放系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)，無序的均勻態(tài)可以在特定的動力學(xué)條件下失去穩(wěn)定性，從而自發(fā)產(chǎn)生某種新的、可能是時(shí)空有序的狀態(tài)。到了七十年代，化學(xué)家們又陸續(xù)證明了化學(xué)振蕩中存在的混沌現(xiàn)象，并逐漸形成了化學(xué)混沌論、可以說，化學(xué)振蕩是開啟化學(xué)混沌論的一把鑰匙，而化學(xué)在整個(gè)混沌論的孕育中起了先鋒作用。
二．化學(xué)混沌論的特點(diǎn)
長期以來，人們受傳統(tǒng)觀念束縛，總習(xí)慣于將化學(xué)過程提煉成一種定態(tài)過程和孤立體系來研究，而真實(shí)的化學(xué)過程卻不是一種靜止的、孤立的過程，它是一種在開放體系中發(fā)生的動態(tài)過程。因此，化學(xué)混沌概念的提出彌補(bǔ)了經(jīng)典熱力學(xué)的缺陷，使人們研究的化學(xué)過程更接近真實(shí)的過程�；瘜W(xué)混沌是指在真實(shí)的化學(xué)體系中存在的混沌現(xiàn)象，它是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)、處于非線性區(qū)的無序的均勻態(tài)，與傳統(tǒng)經(jīng)典熱力學(xué)相比，具有如下四大特點(diǎn)：
1．時(shí)空微觀有序而宏觀無序：平衡態(tài)是熵最大狀態(tài)即最無序狀態(tài)，是分子水平上的無序，微觀上的無序；混沌只有在遠(yuǎn)離平衡態(tài)下才會出現(xiàn)，是由一種時(shí)空宏觀有序的耗散結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性而出現(xiàn)的宏觀上無序的現(xiàn)象。
2．局域不穩(wěn)定而整體穩(wěn)定：對孤立體系而言，平衡態(tài)是穩(wěn)定的狀態(tài)；化學(xué)混沌是體系遠(yuǎn)離平衡條件，處于非平衡態(tài)的非線性區(qū)，是一種無序的均勻態(tài)，在局域范圍內(nèi)不穩(wěn)定而整體穩(wěn)定。這使得混沌運(yùn)動具有某種“隨機(jī)性”，也就是表象上看到的混沌運(yùn)動“混亂的”重要原因。
3．靈敏初條件：真實(shí)的化學(xué)過程初始條件的微弱差異，會引起結(jié)果巨大不同的化學(xué)混沌過程。即化學(xué)混沌對初始條件是敏感的，因此稱為靈敏初條件。用天文氣象的“蝴蝶效應(yīng)”來形象地比喻就是：今天在北京城上空一只小蝴蝶飛翔時(shí)攪動了空氣就會某時(shí)在紐約形成狂風(fēng)暴雨。
4．分?jǐn)?shù)維的空間結(jié)構(gòu)：分?jǐn)?shù)維即為非整數(shù)維。歐幾里德幾何是整數(shù)維的，而自然界絕大部分是分?jǐn)?shù)維的結(jié)構(gòu)。例如：海岸線的長度，取決于測量時(shí)所用尺的長度大小，如用的尺越小，可測量到更多曲折的地方。海岸線的長度是無限可分的，混噸的空間結(jié)構(gòu)也是無限可分的。
三．化學(xué)混沌論的應(yīng)用
混沌論在化學(xué)科學(xué)中的最主要的現(xiàn)象是化學(xué)振蕩(規(guī)則的、周期性的化學(xué)變化，也稱化學(xué)鐘)和化學(xué)湍流(不規(guī)則、非周期性的化學(xué)變化)。自50年代以來化學(xué)振蕩在各方面的應(yīng)用日益廣泛，其中在分析化學(xué)中應(yīng)用較多。當(dāng)體系中存在濃度振蕩時(shí)，其振蕩頻率與催化劑濃度間存在依賴關(guān)系，據(jù)此可測定作為催化劑的某些離子，如10mol/LCe(III)，10mol／LMn(II)，10mol/[Fe(Phen)]等；又如釕化合物在濃度為10mol／L時(shí)可催化Ce(IV)氧化丙二酸的反應(yīng)，使B?Z反應(yīng)體系振蕩頻率增大，其振蕩頻率和釕(III)濃度間存在簡單比例關(guān)系，從而可測定各種溶液中的釕；還如在B?Z振蕩反應(yīng)體系中引入微量Cl，會阻抑振蕩反應(yīng)，使振蕩反應(yīng)的振幅減小，其減小值與氯離子濃度呈線性關(guān)系，可用以測定氯(檢出下限可達(dá)5×10mol/L)。
此外，在化學(xué)振蕩基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電化學(xué)振蕩更廣泛地運(yùn)用于理論研究和應(yīng)用實(shí)踐(如仿生學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等)。人們根據(jù)生物膜或人工膜對某些分子(乙醇、糖類、胺等)具有獨(dú)特的電位振蕩特征來模擬味覺、嗅覺的生物過程，作為識別分子的信號來模仿味覺和嗅覺器官，其中味覺傳感器的研究在模擬生物膜模型、離子在生物膜中轉(zhuǎn)移機(jī)理等仿生學(xué)研究領(lǐng)域具有重要意義，在食品檢測與控制、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；腦電波、心電圖(電位差振蕩)等也在臨床診斷和病理研究中獲得應(yīng)用；在生物信息傳遞方面，根據(jù)動物大腦的電位振蕩方式對外界刺激所產(chǎn)生的響應(yīng)建立的神經(jīng)動力學(xué)模型，研究生物神經(jīng)活動過程，探索人們對動物以及人的大腦活動的認(rèn)識之謎，從而進(jìn)一步為人類服務(wù)。
總之，化學(xué)混沌是一種關(guān)于化學(xué)過程的科學(xué)，是關(guān)于化學(xué)過程演化的化學(xué)。它與傳統(tǒng)的經(jīng)典熱力學(xué)相互補(bǔ)充，將促進(jìn)人們對實(shí)際、真實(shí)的化學(xué)過程的研究和認(rèn)識，必將推動化學(xué)乃至其它學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。正如對耗散結(jié)構(gòu)理論研究作出重大貢獻(xiàn)的諾貝爾獎獲得者普里戈金教授所說的那樣：“對我們以自身為尺度的世界的發(fā)現(xiàn)才剛剛開始，而且看來從宏觀或微觀尺度上對世界的探索同樣地充滿著令人驚奇的事情�！�
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