纳米尺度的混沌

混沌行为通常是从大型系统中得知的：例如，从天气，从太空中同时被几个大天体吸引的小行星，或者从耦合在一起的摆动钟摆。然而，在原子尺度上，人们通常不会遇到混沌——其他效应占主导地位。现在，维也纳工业大学的科学家们第一次能够在微小的铑晶体上的化学反应中检测到纳米级混沌的明显迹象。结果发表在《自然通讯》杂志上。

从不活跃到活跃——然后又回来

研究的化学反应其实很简单：在贵金属催化剂的帮助下，氧气与氢气反应生成水，这也是燃料电池的基本原理。反应速率取决于外部条件(压力、温度)。然而，在某些条件下，即使外部条件不变，这种反应也会表现出振荡行为。“类似于钟摆从左向右摆动并再次摆动的方式，反应速率在几乎无法察觉和高之间摆动，因此催化系统在非活性和活性状态之间来回摆动”，德国化学研究所的 Günther Rupprechter 教授解释道。 TU Wien 的材料化学。

钟摆是可预测事物的典型例子——如果你稍微打扰它或以稍微不同的方式让它运动两次，它的行为大致相同。从这个意义上说，它与混沌系统相反，在混沌系统中，初始条件的微小差异会导致长期行为的巨大差异。这种行为的一个典型例子是用橡皮筋连接的几个钟摆。

不可能两次设置完全相同的初始条件

“当然，从原则上讲，自然法则仍然准确地决定了钟摆的行为方式，”Yuri Suchorski 教授(维也纳工业大学)说。“如果我们能够以完全相同的方式启动这样一个耦合的钟摆系统两次，那么钟摆将以完全相同的方式移动两次。” 但在实践中，这是不可能的：你永远无法在第二次时完美地重现与第一次相同的初始情况——即使初始条件的差异微乎其微，也会导致系统的行为与第一次完全不同时间——这就是著名的“蝴蝶效应”：初始条件的微小差异会导致后来状态的巨大差异。

现在在铑纳米晶体的化学振荡过程中观察到了非常相似的东西：“晶体由许多不同的表面纳米面组成，就像抛光的钻石，但要小得多，在纳米量级，”Maximilian Raab 和 Johannes Zeininger 解释说，他们进行了实验。“在这些方面的每一个方面，化学反应都会振荡，但相邻方面的反应是耦合的。”

转换——从有序到混乱

现在可以通过一种显着的方式控制耦合行为——通过改变氢的量。最初，一个方面占主导地位并像心脏起搏器一样设定步伐。所有其他方面都加入并以相同的节拍振荡。如果增加氢气浓度，情况就会变得更加复杂。不同的面以不同的频率振荡 - 但它们的行为仍然是周期性的并且可以很好地预测。然而，如果进一步增加氢浓度，这个顺序就会突然被打破。混沌获胜，振荡变得不可预测，初始情况的微小差异导致完全不同的振荡模式 - 混沌的明显标志。

Yuri Suchorski 说：“这很了不起，因为你不会真的期望纳米级结构会出现混沌行为。” “系统越小，随机噪声的贡献就越大。事实上，噪声与混沌完全不同，它应该支配系统的行为：更有趣的是可以“提取”混沌的迹象”。由 Keita Tokuda 教授(筑波大学)开发的理论模型特别有用。

应用于纳米化学的混沌研究

“混沌理论的研究已经进行了几十年，它已经成功地应用于更大(宏观)系统的化学反应，但我们的研究是首次尝试将这一领域的广泛知识转移到纳米尺度，” Günther Rupprechter 说。“晶体对称性的微小偏差可以决定催化剂的行为是以有序和可预测的方式还是以无序和混乱的方式进行。这对于不同的化学反应很重要 - 甚至可能对于生物系统。”