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Autocatalisi

1920
  • Alfred J. Lotka
Chimico che studia l'autocatalisi in laboratorio con vetreria e reazioni chimiche.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Autocatalysis is a chemical reaction where one of the reaction products is also a catalizzatore for the same or a coupled reaction. This creates a positive feedback loop, leading to an accelerating reaction rate. The rate of reaction is initially slow but increases as the concentration of the product (catalyst) builds up, often resulting in sigmoidal (S-shaped) kinetic curves.

In una semplice reazione autocatalitica della forma A + B → 2B, il prodotto B catalizza la propria formazione. La legge cinetica per una tale reazione è spesso del secondo ordine complessivo, ad esempio, [latex]frac{d[B]}{dt} = k[A][B][/latex]. A differenza di una reazione standard del primo o del secondo ordine, in cui la velocità è massima all'inizio e diminuisce man mano che i reagenti vengono consumati, la velocità di una reazione autocatalitica è inizialmente limitata dalla bassa concentrazione del prodotto/catalizzatore [B]. Man mano che [B] aumenta, la velocità accelera, raggiungendo un massimo prima di rallentare nuovamente con l'esaurimento del reagente [A]. Questo comportamento è caratteristico di molti sistemi complessi, tra cui la replicazione biologica e le dinamiche di popolazione.

L'autocatalisi è un concetto chiave per comprendere i sistemi lontani dall'essere termodinamico Equilibrio. È un prerequisito per la creazione di modelli temporali o spaziali, come quelli osservati nelle reazioni oscillanti (ad esempio, la reazione di Belousov-Zhabotinsky) in cui le concentrazioni di intermedi fluttuano periodicamente, o nei sistemi di reazione-diffusione che possono generare modelli spaziali stazionari (modelli di Turing). Questi fenomeni mettono in discussione la semplice nozione di reazioni che procedono senza intoppi verso l'equilibrio e sono fondamentali per le teorie sull'auto-organizzazione e l'emergere di strutture complesse, comprese le teorie sull'origine della vita in cui molecole autoreplicanti come l'RNA potrebbero essere emerse attraverso cicli autocatalitici.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Chimica fisica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Finanziario

Utilizzo

Nicchia/Specializzato

Precursori

  • principi di base della cinetica chimica
  • osservazione di fenomeni periodici in chimica (anelli di Liesegang)
  • Il lavoro teorico di Alfred J. Lotka sulle oscillazioni chimiche
  • La scoperta della reazione BZ da parte di Boris Belousov

Applicazioni

  • modelli per l'origine della vita (ipotesi del mondo a RNA)
  • reazioni chimiche oscillanti come la reazione di Belousov-Zhabotinsky
  • depolimerizzazione di alcune materie plastiche
  • la transizione di fase del “peste dello stagno” dallo stagno bianco a quello grigio
  • alcuni processi biologici come la coagulazione del sangue

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • materiali autopropaganti per una polimerizzazione rapida avviata tramite trigger
  • amplificatori chimici autocatalitici per sensori ultrasensibili
  • progettazione di sistemi molecolari autoreplicanti sintetici
  • autocatalytic networks for creating ‘chemical computers’
  • materiali che riparano i danni attraverso un processo autocatalitico
  • autocatalytic depolymerization for circuito chiuso plastic recycling
  • sistemi di somministrazione di farmaci che rilasciano sostanze terapeutiche tramite una cascata autocatalitica
  • amplificazione del segnale autocatalitico nei test diagnostici
  • modelli per il controllo delle reazioni incontrollabili nei processi industriali
  • circuiti biologici sintetici basati sull'espressione genica autocatalitica
Argomenti correlati: autocatalisi, feedback positivo, curva sigmoide, cinetica di reazione, reazione oscillante, Belousov-Zhabotinsky, autoreplicazione, origine della vita, termodinamica di non equilibrio, modelli di Turing.

Contesto storico

Autocatalisi

1918
1919-05-29
1920
1920
1921
1924
1924
1917
1918
1920
1920
1921
1922
1924
1925

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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