Chaos verkennen op nanometerschaal

Chaotisch gedrag is typisch bekend van grote systemen: bijvoorbeeld van het weer, van asteroïden in de ruimte die gelijktijdig worden aangetrokken door meerdere grote hemellichamen, of van slingerende slingers die aan elkaar zijn gekoppeld. Op atomaire schaal kom je normaal gesproken echter geen chaos tegen, andere effecten overheersen.

Nu hebben wetenschappers van TU Wien voor het eerst duidelijke indicaties van chaos op nanometerschaal kunnen detecteren – in chemische reacties op kleine rhodiumkristallen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Van inactief naar actief – en weer terug

De bestudeerde chemische reactie is eigenlijk vrij eenvoudig: met behulp van een edelmetaalkatalysator reageert zuurstof met waterstof tot water, wat ook het basisprincipe is van een brandstofcel. De reactiesnelheid is afhankelijk van externe omstandigheden (druk, temperatuur). Onder bepaalde omstandigheden vertoont deze reactie echter oscillerend gedrag, ook al zijn de externe omstandigheden constant.

“Net zoals een slinger van links naar rechts en weer terug zwaait, oscilleert de reactiesnelheid tussen nauwelijks waarneembaar en hoog, en dus oscilleert het katalytische systeem heen en weer tussen inactieve en actieve toestanden”, legt prof. Günther Rupprechter van het Instituut uit. van Materiaalchemie aan de TU Wien.

Een slinger is een klassiek voorbeeld van iets voorspelbaars: als je het een beetje verstoort of twee keer op iets verschillende manieren in beweging zet, gedraagt ​​het zich in grote lijnen hetzelfde. In die zin is het het tegenovergestelde van een chaotisch systeem, waarbij minimale verschillen in de beginvoorwaarden leiden tot sterk verschillende resultaten in het langetermijngedrag. Een goed voorbeeld van dit gedrag zijn verschillende slingers verbonden door elastische banden.

Twee keer precies dezelfde beginvoorwaarden instellen is onmogelijk

“In principe bepalen natuurwetten natuurlijk nog steeds precies hoe pendels zich gedragen”, zegt prof. Yuri Suchorski (TU Wien). “Als we zo’n gekoppeld systeem van slingers twee keer op precies dezelfde manier zouden kunnen starten, zouden de slingers beide keren precies dezelfde kant op bewegen.”

Maar in de praktijk is dat onmogelijk: je zult nooit dezelfde beginsituatie de tweede keer perfect kunnen nabootsen als de eerste keer – en zelfs een miniem klein verschil in de beginvoorwaarden zal ervoor zorgen dat het systeem zich totaal anders gedraagt ​​dan de eerste keer. tijd – dit is het beroemde “vlindereffect”: kleine verschillen in de beginvoorwaarden leiden tot grote verschillen in de toestand op een later tijdstip.

Iets soortgelijks is nu waargenomen tijdens chemische oscillaties op een rhodium nanokristal: “Het kristal bestaat uit veel verschillende oppervlakte-nanofacetten, zoals een gepolijste diamant, maar veel kleiner, in de orde van grootte van nanometers”, leggen Maximilian Raab en Johannes Zeininger uit, die optraden de experimenten. “Op elk van deze facetten oscilleert de chemische reactie, maar de reacties op naburige facetten zijn gekoppeld.”

Schakelen – van orde naar chaos

Het koppelingsgedrag kan nu op een opmerkelijke manier worden gecontroleerd: door de hoeveelheid waterstof te veranderen. Aanvankelijk domineert één facet en bepaalt het tempo als een gangmaker. Alle andere facetten doen mee en oscilleren op dezelfde beat. Als men de waterstofconcentratie verhoogt, wordt de situatie ingewikkelder. Verschillende facetten oscilleren met verschillende frequenties, maar toch is hun gedrag periodiek en goed voorspelbaar.

Als men vervolgens de waterstofconcentratie verder verhoogt, valt deze ordening ineens weg. Chaos wint, de oscillaties worden onvoorspelbaar, kleine verschillen in de uitgangssituatie leiden tot totaal andere oscillatiepatronen – een duidelijk teken van chaos.

“Dit is opmerkelijk omdat je niet echt chaotisch gedrag zou verwachten in structuren ter grootte van een nanometer”, zegt Yuri Suchorski. “Hoe kleiner het systeem, hoe groter de bijdrage van stochastische ruis. In feite zou de ruis, die iets heel anders is dan chaos, het gedrag van het systeem moeten domineren: het is nog interessanter dat het mogelijk was om indicaties te ‘extraheren’ van chaos”. Bijzonder nuttig was een theoretisch model, ontwikkeld door prof. Keita Tokuda.

Chaosonderzoek toegepast op nanochemie

“Onderzoek naar chaostheorie is al tientallen jaren aan de gang en het is al met succes toegepast op chemische reacties in grotere (macroscopische) systemen, maar onze studie is de eerste poging om de uitgebreide kennis van dit veld over te brengen naar de nanometerschaal,” zegt Günther Rupprechter.

“Kleine afwijkingen in de symmetrie van het kristal kunnen bepalen of de katalysator zich op een geordende en voorspelbare manier of op een ongeordende en chaotische manier gedraagt. Dit is belangrijk voor verschillende chemische reacties – en misschien zelfs voor biologische systemen.”