Forskare observerar övergången till kaotiskt beteende på nanometerskalan

27 feb 2023 (Nanowerk Nyheter) Kaotiskt beteende är typiskt känt från stora system: till exempel från väder, från asteroider i rymden som samtidigt attraheras av flera stora himlakroppar, eller från svängande pendlar som är sammankopplade. På atomär skala möter man dock normalt inte kaos – andra effekter dominerar. Nu har forskare vid TU Wien för första gången kunnat upptäcka tydliga tecken på kaos på nanometerskalan – i kemiska reaktioner på små rodiumkristaller. Resultaten har publicerats i tidskriften Nature Communications ("Uppkomsten av kaos i ett kompartmenterat nanosystem för katalytisk reaktion"). Nanokaos på en asymmetrisk Rhodium nanokristall. (Bild: TU Wien

Från inaktiv till aktiv – och tillbaka igen

Den kemiska reaktionen som studeras är faktiskt ganska enkel: med hjälp av en ädelmetallkatalysator reagerar syre med väte och bildar vatten, vilket också är grundprincipen för en bränslecell. Reaktionshastigheten beror på yttre förhållanden (tryck, temperatur). Under vissa förhållanden visar dock denna reaktion ett oscillerande beteende, även om de yttre förhållandena är konstanta. "I likhet med hur en pendel svänger från vänster till höger och tillbaka igen, pendlar reaktionshastigheten mellan knappt märkbar och hög, och på så sätt pendlar det katalytiska systemet fram och tillbaka mellan inaktiva och aktiva tillstånd", förklarar professor Günther Rupprechter från Institute of Materialkemi vid TU Wien. En pendel är ett klassiskt exempel på något förutsägbart – stör man den lite eller sätter den i rörelse två gånger på lite olika sätt så beter den sig i stort sett likadant. I denna mening är det motsatsen till ett kaotiskt system, där minimala skillnader i de initiala förutsättningarna leder till starkt olika resultat i det långsiktiga beteendet. Ett utmärkt exempel på detta beteende är flera pendlar förbundna med elastiska band.

Att ställa in exakt samma initiala villkor två gånger är omöjligt

"I princip bestämmer naturligtvis naturlagarna fortfarande exakt hur pendlar beter sig", säger professor Yuri Suchorski (TU Wien). "Om vi ​​kunde starta ett sådant kopplat system av pendlar på exakt samma sätt två gånger, skulle pendlarna röra sig exakt samma väg båda gångerna." Men i praktiken är det omöjligt: ​​du kommer aldrig att kunna återskapa samma initiala situation perfekt andra gången som du gjorde den första – och även en försvinnande liten skillnad i de initiala förhållandena kommer att få systemet att bete sig helt annorlunda än den första tid – detta är den berömda "fjärilseffekten": små skillnader i de ursprungliga förhållandena leder till enorma skillnader i tillståndet vid ett senare tillfälle. Något mycket liknande har nu observerats under kemiska svängningar på en rodiumnanokristall: "Kristallen består av många olika ytnanofacetter, som en polerad diamant, men mycket mindre, i storleksordningen nanometer", förklarar Maximilian Raab och Johannes Zeininger, som utförde experimenten. "På var och en av dessa aspekter oscillerar den kemiska reaktionen, men reaktionerna på närliggande aspekter är kopplade."

Växling – från ordning till kaos

Kopplingsbeteendet kan nu kontrolleras på ett anmärkningsvärt sätt – genom att ändra mängden väte. Inledningsvis dominerar en aspekt och sätter farten som en pacemaker. Alla andra fasetter går med och svänger till samma takt. Om man ökar vätekoncentrationen blir situationen mer komplicerad. Olika aspekter pendlar med olika frekvenser – men deras beteende är fortfarande periodiskt och väl förutsägbart. Men om man sedan ökar vätekoncentrationen ytterligare, bryts denna ordning plötsligt ner. Kaos vinner, svängningarna blir oförutsägbara, små skillnader i utgångsläget leder till helt andra svängningsmönster – ett tydligt tecken på kaos. "Detta är anmärkningsvärt eftersom man egentligen inte skulle förvänta sig kaotiskt beteende i nanometerstora strukturer", säger Yuri Suchorski. "Ju mindre systemet är, desto större bidrag har stokastiskt brus. I själva verket borde bruset, som är något helt annat än kaos, dominera systemets beteende: det är ännu mer intressant att det var möjligt att "extrahera" indikationer på kaos. En teoretisk modell var särskilt användbar, utvecklad av professor Keita Tokuda (University Tsukuba).

Kaosforskning tillämpad på nanokemi

"Forskning om kaosteori har pågått i decennier, och den har redan framgångsrikt tillämpats på kemiska reaktioner i större (makroskopiska) system, men vår studie är det första försöket att överföra den omfattande kunskapen från detta område till nanometerskalan." säger Günther Rupprechter. ”Små avvikelser i kristallens symmetri kan avgöra om katalysatorn beter sig på ett ordnat och förutsägbart sätt eller på ett oordnat och kaotiskt sätt. Detta är viktigt för olika kemiska reaktioner – och kanske till och med för biologiska system.”

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62462.php