Les scientifiques observent une transition vers un comportement chaotique à l'échelle du nanomètre

27 févr.2023 (Actualités Nanowerk) Le comportement chaotique est généralement connu des grands systèmes : par exemple, de la météo, des astéroïdes dans l'espace qui sont simultanément attirés par plusieurs grands corps célestes, ou des pendules oscillants couplés entre eux. Cependant, à l’échelle atomique, on ne rencontre généralement pas de chaos – d’autres effets prédominent. Aujourd'hui, pour la première fois, des scientifiques de la TU Wien ont pu détecter des indications claires de chaos à l'échelle nanométrique – dans des réactions chimiques sur de minuscules cristaux de rhodium. Les résultats ont été publiés dans la revue Communications Nature (« Émergence du chaos dans un nanosystème de réaction catalytique compartimenté »). Nanochaos sur un nanocristal de Rhodium asymétrique. (Image : TU Vienne

De inactif à actif – et vice-versa

La réaction chimique étudiée est en réalité assez simple : à l’aide d’un catalyseur en métal précieux, l’oxygène réagit avec l’hydrogène pour former de l’eau, qui est aussi le principe de base d’une pile à combustible. La vitesse de réaction dépend des conditions extérieures (pression, température). Toutefois, dans certaines conditions, cette réaction présente un comportement oscillant, même si les conditions extérieures sont constantes. "Semblable à la façon dont un pendule oscille de gauche à droite et vice-versa, la vitesse de réaction oscille entre à peine perceptible et élevée, et ainsi le système catalytique oscille entre les états inactif et actif", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de Chimie des matériaux à la TU Wien. Un pendule est un exemple classique de quelque chose de prévisible : si vous le dérangez un peu ou si vous le mettez en mouvement deux fois de manière légèrement différente, il se comporte globalement de la même manière. En ce sens, il est à l’opposé d’un système chaotique, dans lequel des différences minimes dans les conditions initiales conduisent à des résultats très différents dans le comportement à long terme. Un excellent exemple de ce comportement est celui de plusieurs pendules reliés par des bandes élastiques.

Définir exactement les mêmes conditions initiales deux fois est impossible

«En principe, bien entendu, les lois de la nature déterminent toujours exactement le comportement des pendules», explique le professeur Yuri Suchorski (TU Wien). "Si nous pouvions démarrer un tel système couplé de pendules exactement de la même manière deux fois, les pendules se déplaceraient exactement de la même manière les deux fois." Mais en pratique, c'est impossible : vous ne pourrez jamais recréer parfaitement la même situation initiale la deuxième fois que la première fois - et même une différence infime dans les conditions initiales entraînera un comportement complètement différent du système. temps – c’est le fameux « effet papillon » : de petites différences dans les conditions initiales conduisent à d’énormes différences dans l’état ultérieur. Quelque chose de très similaire a maintenant été observé lors d'oscillations chimiques sur un nanocristal de rhodium : « Le cristal est constitué de nombreuses nanofacettes de surface différentes, comme un diamant poli, mais beaucoup plus petites, de l'ordre du nanomètre », expliquent Maximilian Raab et Johannes Zeininger, qui ont réalisé les expériences. « Sur chacune de ces facettes, la réaction chimique oscille, mais les réactions sur les facettes voisines sont couplées. »

Passage – de l’ordre au chaos

Le comportement de couplage peut désormais être contrôlé de manière remarquable – en modifiant la quantité d’hydrogène. Au départ, une facette domine et donne le ton tel un stimulateur cardiaque. Toutes les autres facettes se joignent et oscillent au même rythme. Si l’on augmente la concentration en hydrogène, la situation devient plus compliquée. Différentes facettes oscillent à des fréquences différentes, mais leur comportement reste périodique et bien prévisible. Cependant, si l’on augmente encore la concentration en hydrogène, cet ordre s’effondre soudainement. Le chaos l’emporte, les oscillations deviennent imprévisibles, de petites différences dans la situation initiale conduisent à des schémas d’oscillation complètement différents – un signe évident de chaos. "C'est remarquable car on ne s'attendrait pas vraiment à un comportement chaotique dans des structures de taille nanométrique", explique Yuri Suchorski. « Plus le système est petit, plus la contribution du bruit stochastique est importante. En fait, le bruit, qui est quelque chose de complètement différent du chaos, devrait dominer le comportement du système : il est d'autant plus intéressant qu'il a été possible d'« extraire » des indications de chaos ». Un modèle théorique développé par le professeur Keita Tokuda (Université Tsukuba) s'est avéré particulièrement utile.

Recherche sur le chaos appliquée à la nanochimie

"La recherche sur la théorie du chaos dure depuis des décennies et a déjà été appliquée avec succès à des réactions chimiques dans des systèmes (macroscopiques) plus grands, mais notre étude est la première tentative de transfert des connaissances approfondies de ce domaine à l'échelle nanométrique." dit Günther Rupprechter. « De petites déviations dans la symétrie du cristal peuvent déterminer si le catalyseur se comporte de manière ordonnée et prévisible ou de manière désordonnée et chaotique. C’est important pour différentes réactions chimiques – et peut-être même pour les systèmes biologiques.

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• La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62462.php