מדענים צופים במעבר להתנהגות כאוטית בקנה מידה ננומטרי

27 בפברואר 2023 (חדשות Nanowerk) התנהגות כאוטית מוכרת בדרך כלל ממערכות גדולות: למשל ממזג אוויר, מאסטרואידים בחלל שנמשכים בו זמנית על ידי כמה גרמי שמים גדולים, או ממטוטלות מתנדנדות המחוברות זו לזו. עם זאת, בקנה מידה אטומי, בדרך כלל לא נתקלים בכאוס - השפעות אחרות שולטים. כעת, לראשונה, הצליחו מדענים ב-TU Wien לזהות אינדיקציות ברורות לכאוס בקנה מידה ננומטרי - בתגובות כימיות על גבישי רודיום זעירים. התוצאות פורסמו בכתב העת תקשורת טבע ("הופעה של תוהו ובוהו בננו-מערכת של תגובה קטליטית מדורגת"). ננוכאוס על ננו-גביש רודיום א-סימטרי. (תמונה: TU Wien

מבלתי פעיל לפעיל - וחוזר חלילה

התגובה הכימית שנחקרה היא למעשה די פשוטה: בעזרת זרז מתכת יקרה, חמצן מגיב עם מימן ליצירת מים, שהם גם העיקרון הבסיסי של תא דלק. קצב התגובה תלוי בתנאים חיצוניים (לחץ, טמפרטורה). בתנאים מסוימים, לעומת זאת, תגובה זו מראה התנהגות תנודה, למרות שהתנאים החיצוניים קבועים. "בדומה לאופן שבו מטוטלת מתנדנדת משמאל לימין וחוזר חלילה, קצב התגובה נע בין בקושי מורגש לגבוה, וכך המערכת הקטליטית נעה הלוך ושוב בין מצבים לא פעילים ופעילים" מסביר פרופ' גינתר רופרטר מהמכון ל כימיה של חומרים ב-TU Wien. מטוטלת היא דוגמה קלאסית למשהו צפוי - אם אתה מפריע לו קצת או מניע אותו פעמיים בדרכים קצת שונות, הוא מתנהג באופן כללי אותו דבר. במובן זה, זה ההפך ממערכת כאוטית, שבה הבדלים מינימליים בתנאים ההתחלתיים מובילים לתוצאות שונות מאוד בהתנהגות ארוכת הטווח. דוגמה מצוינת להתנהגות זו הן כמה מטוטלות המחוברות ברצועות אלסטיות.

להגדיר בדיוק את אותם תנאים התחלתיים פעמיים זה בלתי אפשרי

"באופן עקרוני, כמובן, חוקי הטבע עדיין קובעים בדיוק איך מטוטלות מתנהגות", אומר פרופ' יורי סוכורסקי (TU Wien). "אם היינו יכולים להתחיל מערכת כזו של מטוטלות בדיוק באותה צורה פעמיים, המטוטלות היו נעות בדיוק באותה צורה בשתי הפעמים." אבל בפועל, זה בלתי אפשרי: לעולם לא תוכל לשחזר באופן מושלם את אותו מצב התחלתי בפעם השנייה כפי שעשית בפעם הראשונה - ואפילו הבדל קטן וחסר בתנאים ההתחלתיים יגרום למערכת להתנהג שונה לחלוטין מהראשונה זמן - זהו "אפקט הפרפר" המפורסם: הבדלים קטנים בתנאים ההתחלתיים מובילים להבדלים עצומים במדינה במועד מאוחר יותר. משהו דומה מאוד נצפה כעת במהלך תנודות כימיות על ננו-גביש רודיום: "הגביש מורכב מננו-פנים רבים ושונים, כמו יהלום מלוטש, אבל הרבה יותר קטן, בסדר גודל של ננומטרים", מסבירים מקסימיליאן ראב ויוהנס זיינינגר, שביצע. הניסויים. "בכל אחד מההיבטים הללו, התגובה הכימית מתנדנדת, אבל התגובות על היבטים שכנים משולבות."

מעבר - מסדר לכאוס

כעת ניתן לשלוט בהתנהגות הצימוד בצורה יוצאת דופן - על ידי שינוי כמות המימן. בתחילה, פן אחד שולט וקובע את הקצב כמו קוצב לב. כל שאר ההיבטים מצטרפים ומתנדנדים לאותו פעימה. אם מעלים את ריכוז המימן, המצב הופך מסובך יותר. היבטים שונים מתנדנדים בתדרים שונים - אך עדיין התנהגותם תקופתית וניתנת לחיזוי היטב. עם זאת, אם לאחר מכן מגדילים את ריכוז המימן עוד יותר, הסדר הזה מתפרק לפתע. הכאוס מנצח, התנודות הופכות בלתי צפויות, הבדלים קטנים במצב ההתחלתי מובילים לדפוסי תנודה שונים לחלוטין - סימן ברור לכאוס. "זה מדהים כי לא באמת היית מצפה להתנהגות כאוטית במבנים בגודל ננומטר", אומר יורי סוכורסקי. "ככל שהמערכת קטנה יותר, כך תרומת הרעש הסטוכסטי גדולה יותר. למעשה, הרעש, שהוא משהו שונה לחלוטין מכאוס, צריך לשלוט בהתנהגות המערכת: מעניין עוד יותר שאפשר היה "לחלץ" אינדיקציות לכאוס". מודל תיאורטי היה שימושי במיוחד, שפותח על ידי פרופ' קייטה טוקודה (אוניברסיטת צוקובה).

מחקר כאוס מיושם על ננו-כימיה

"מחקר על תורת הכאוס נמשך כבר עשרות שנים, והוא כבר יושם בהצלחה על תגובות כימיות במערכות גדולות יותר (מקרוסקופיות), אבל המחקר שלנו הוא הניסיון הראשון להעביר את הידע הנרחב מתחום זה לסולם הננומטרי." אומר גינתר רופרטר. "סטיות קטנות בסימטריה של הגביש יכולות לקבוע אם הזרז מתנהג בצורה מסודרת וצפויה או בצורה לא מסודרת וכאוטית. זה חשוב לתגובות כימיות שונות - ואולי אפילו למערכות ביולוגיות".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62462.php