副标题：隐藏在振荡过程中“临界转变点”的磁场放大效应
多年来，一个看似矛盾的科学现象始终困扰着研究者：地球自身的磁场强度仅约50微特斯拉，微弱到仅能推动指南针，却能影响从果蝇到人类的昼夜节律。从分子层面分析，这类弱磁场携带的能量极其微小，理论上会被原子运动产生的“热噪声”完全掩盖，本应对化学反应毫无影响。但自然界的诸多实例却与之相悖——从细菌到鸟类，几乎所有生物都会利用弱磁场实现导航或调节生物钟。
为何微弱磁场能“左右”生命活动？北京大学张俊龙教授团队推测，这一现象的关键环节或许隐藏在振荡化学反应系统中。这类反应会在不同状态间周期性循环，与生物体内生物钟“滴答作响”的运行机制高度相似。在自然界中，振荡系统十分常见：细胞分裂的周期性进程、植物叶片昼夜开合的节律变化，均遵循类似的运行逻辑。在实验室环境中，“布里格斯—劳舍尔反应（BR反应）”是研究振荡系统的理想模型—在锰离子（Mn2+）的催化作用下，它会呈现“无色-琥珀色-深蓝色”的周期性颜色变化，虽结构简单，却能精准模拟生物节律的复杂特性。近期，该团队通过实验发现：当弱磁场作用于处于“临界转变点”的化学振荡反应时，会引发反应行为的剧烈变化。
一、“临界转变点”：弱磁场的“放大窗口”
振荡反应中的“临界转变点”（如“Hopf分岔点”），指的是当反应条件达到特定数值时，系统会从稳定的“非振荡状态”突然转变为持续循环的“振荡状态”，这一过程类似水被加热至100 ℃时的突然沸腾。在这一临界点上，系统对微小扰动的敏感性会呈指数级提升。
为触发这一临界状态，研究人员将BR反应中Mn2+的初始浓度精确调控至约2.78毫摩尔/升，随后施加强度在0至200毫特斯拉（mT）之间的弱磁场（尽管其强度是地球磁场的4000倍，但在实验室研究中仍属于“弱场”范畴）。实验结果令人震惊：当施加41毫特斯拉的磁场时，反应振荡的振幅（即颜色在无色与深蓝色之间的变化幅度）出现了1500%的巨大改变——相当于原本1厘米的摆动幅度被放大至15厘米，而普通化学反应中，磁场引发的变化通常不足10%。值得注意的是，反应速率（即循环快慢）仅提升了12%，且最终产物的种类与产量完全未变（图1）。这表明，磁场仅调控反应进行的“节奏”，并未改变反应的最终结果。这一磁场调控效应并不依赖特定催化剂。当该团队用铈离子（Ce3+）替代锰离子（Mn2+）作为催化剂时，磁场对振荡反应的放大现象依然存在。这表明，反应中的核心磁响应单元是碘中心自由基——这类自由基在众多振荡反应中普遍存在，而非某一种特定的金属离子。
图1. 磁场作用于化学振荡反应，在Hopf分岔处，对整体反应速率的磁场效应约10%，但振幅的磁场效应被放大至1500%。
更特殊的是，这种磁场效应具有可逆性：开启41毫特斯拉磁场后，振荡振幅瞬间下降13倍；关闭磁场后，振幅又能迅速恢复至初始状态（图2）。“这就像在秋千即将转向的瞬间轻轻推一把，只需很小的力气，就能让秋千摆得更高。”张俊龙团队形象地解释，“在临界点上，磁场无需很强，只要‘踩准节奏’，就能引发反应行为的巨大变化。”
图2. 开/关磁场对BR振荡反应的影响。[Mn3+]/[Mn2+]在（a）“关-开（41 mT）-关”与（b）“开-关-开”磁场模式下的振荡行为，两种模式下变化均可逆。（c）-（d）：（a）、（b）两种磁场模式下每循环振幅的变化情况。（e）-（f）：微调反应自催化步骤速率，模拟磁场对振荡的可逆影响。
二、机制解析：自由基对与分岔点的协同作用
为揭开这一现象背后的分子机制，该团队深入分析了BR反应的微观过程，最终锁定两个关键环节：
（一）自由基对：磁场作用的分子“开关”。自由基对是一类寿命极短、反应性极强的分子，其核心特征是带有未成对电子。磁场会轻微改变这些自由基的自旋状态，进而影响它们相互结合形成新分子的概率（图3a）。通常情况下，这种影响微乎其微，但在“Hopf分岔”临界点上，系统的超高敏感性会将这一微小变化无限放大，使其从可忽略的扰动转变为足以改变反应的信号。
（二）德凯珀-爱泼斯坦模型：理论验证的数学框架。德凯珀-爱泼斯坦模型是描述BR反应动力学特性的经典数学工具。该团队通过该模型进行模拟计算，结果与实验现象完全吻合：在分岔临界点，只需让反应中关键自催化步骤的速率常数（k3）发生微小下降（如从0.95×104降至0.92×104 M-1 s-1），引发振荡系统的“蝴蝶效应”，就能精准复现实验室中观察到的15倍振幅变化（图3b）。
图3. （a）自由基对机理示意图。（b）不同k3值下，log([Mn3+]/[Mn2+])的模拟时间轨迹，及振幅随k3的变化情况。
综合来看，自由基对是“开关”，分岔点是“放大器”，两者的协同作用，让原本微弱到可忽略的磁场能量，转化为足以调控化学反应的“强信号”。这一发现为多个领域的技术创新提供了新思路。在化学合成领域：可利用磁场调控振荡反应的中间体浓度，实现对反应选择性的精准控制，例如在复杂分子合成中提高目标产物比例。在医学领域，这为“磁场调控生物钟”提供了化学基础，未来或可通过弱磁场非侵入性调节人体昼夜节律，治疗失眠、时差综合征等与生物钟紊乱相关的疾病。在材料科学，有望开发基于磁场响应的“智能振荡材料”，如自修复材料、周期性释放药物的载体等。
该研究成果发表于国际知名期刊Chemical Science。北京大学化学与分子工程学院张俊龙课题组的张少君博士为论文第一作者，杨字舒博士担任共同通讯作者，王炳武研究员和高松教授共同参加本研究工作，牛津大学Peter Hore 教授讨论、修改论文。该研究工作获得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划颠覆性技术创新重点专项和北京分子科学国家研究中心等资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Amplification of Magnetic Field Effects via Critical Dynamics in a Nonlinear Oscillatory System
Shaojun Zhang, Zi-Shu Yang*, Bing-Wu Wang, Song Gao and Jun-Long Zhang*
Chem. Sci., 2025, DOI: 10.1039/D5SC05941K
导师介绍
张俊龙
https://www.x-mol.com/groups/Zhang_Jun-long
