Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chaoskontrolle in der Chemie

18.05.2001


Max-Planck-Wissenschaftler steuern chaotische Mikrostrukturen in katalytischer Reaktion / Neue Erkenntnisse über Musterbildung in der Natur

Spontane Strukturbildung und komplexes Chaos gehören zu den faszinierendsten Phänomenen in der Natur. Zum ersten Mal ist es jetzt Wissenschaftlern des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft gelungen, chaotische Strukturen in einer chemischen Reaktion nicht nur zu beobachten, sondern auch zu steuern (Science, 18. Mai 2001). Hierzu implementierten die Forscher eine künstliche Rückkopplung in die durch Platin katalysierte Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid. Die neuen Strukturen, die für das Verständnis selbstorganisierter Strukturbildung in der Natur von grundlegender Bedeutung sind, hatten sie zuvor durch mathematische Modellierung der Reaktion vorhergesagt.

Abbildung 1: Verschiedene Muster in der Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid auf einer Platinoberfläche, aufgenommen mit einer speziellen Mikroskopietechnik. Blaue Bereiche sind vorwiegend mit Sauerstoff, rote Bereiche mit Kohlenmonoxid bedeckt. Von links nach rechts: Chaotische Spiralwellen und künstlich durch Rückkopplung erzeugte chaotische Ringstrukturen, reguläre Domänen und Streifenmuster.

Bild: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft


Strukturbildung durch Selbstorganisation ist in der Natur in unterschiedlichsten Formen beobachtbar, von der Strudelbildung und Turbulenz in Flüssigkeitsströmungen bis hin zur Aggregation von Bakterien in biologischen Systemen. Gemeinsame Voraussetzung solcher Phänomene ist ein Systemzustand fern des Gleichgewichtes. In chemischen Reaktionen kann dies erreicht werden, indem kontinuierlich frische Reaktanden zugegeben und Reaktionsprodukte entnommen werden.

Wissenschaftler am Fritz-Haber-Institut haben die Strukturbildung am Beispiel der katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid untersucht. In der betrachteten Reaktion haften Sauerstoff und Kohlenmonoxid (CO) zunächst auf einer katalytischen Platin(110)-Einkristalloberfläche. Die auf der Oberfläche beweglichen CO-Moleküle reagieren dann jeweils mit einem Sauerstoffatom zu Kohlendioxid, welches die Oberfläche sogleich wieder verlässt. Unter geeigneten Bedingungen bilden sich dabei selbstorganisierte Muster in Form mikroskopisch kleiner, vorwiegend Sauerstoff- beziehungsweise CO-bedeckter Bereiche auf der Platinoberfläche.

Diese räumlichen Bedeckungsmuster werden von zeitlichen Schwankungen (Oszillationen) der Sauerstoff- und CO-Bedeckung im Takt von wenigen Sekunden begleitet. Die nur einige Mikrometer durchmessenden Strukturen wurden mit einem am Fritz-Haber-Institut entwickelten Photoemissions-Elektronenmikroskopieverfahren sichtbar gemacht. Als typische Muster entstehen dabei chaotische Spiralwellen, die spontan wieder in Fragmente zerfallen und sich dabei reproduzieren. Die Spiralwellen reagieren so sensibel auf kleinste Störungen, dass sich ihr Verhalten nicht über längere Zeiträume vorhersagen lässt. Die Wissenschaftler sprechen deshalb von einem hochdimensionalen, raumzeitlichen Chaos, dessen Dynamik Veränderungen in Raum und Zeit einschließt.

Abbildung2: Ergebnisse von Experimenten an der CO-Oxidation (links) und deren mathematische Modellierung (rechts). Für jeweils zwei verschiedene Muster sind Raum-Zeit-Diagramme entlang eines Schnittes durch die Oberfläche gezeigt (oben chaotische Ringstrukturen, unten reguläre Domänen).

Bild: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft


In der von Professor Gerhard Ertl geleiteten Abteilung des Fritz-Haber-Instituts konnten Theoretiker um Alexander Mikhailov anhand mathematischer Modellrechnungen vorhersagen, dass sich chaotische Strukturen mithilfe einer Rückkopplungsschleife unterdrücken und durch neuartige, vorher im Chaos verborgene Muster ersetzen lassen. Daraufhin gelang es Experimentatoren um Harm-Hinrich Rotermund in der selben Abteilung, solche Muster auch tatsächlich im Labor zu beobachten. Sie konnten gezielt neue Strukturen wie chaotische Ringmuster, reguläre Domänenmuster und reguläre Streifenmuster auf der Platinoberfläche erzeugen. Die Methode der dazu verwendeten Rückkopplung ist so effizient wie einfach: Während die Forscher die Muster auf der Platin-Oberfläche beobachteten, variierten sie die Zugaberate von Kohlenmonoxid (CO) in direkter Abhängigkeit von den auftretenden Strukturen. Die Zugabe von CO war dabei direkt proportional zur über das Sichtfenster gemittelten Bildhelligkeit im Mikroskop. Diese Methode störte die räumlichen Muster nicht direkt, sondern beeinflusste die Reaktionsbedingungen überall auf der Oberfläche in gleicher Weise. Unter den so veränderten Rahmenbedingungen konnten sich dabei die neu beobachteten Muster selbstorganisiert ausbilden. Die Max-Planck-Wissenschaftler erbrachten damit erstmals den experimentellen Beweis, dass hochdimensionales Chaos in chemischen Systemen mit einfachen Methoden beherrscht werden kann.

Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt im Verständnis spontaner Strukturbildung und deren Steuerung dar. Viele Resultate können auch auf ganz andere strukturbildende Systeme in und außerhalb der Chemie übertragen werden. Darüber hinaus kann die Beherrschbarkeit von hochdimensionalem Chaos für die Kontrolle technischer Prozesse, in denen Chaos meistens unerwünscht ist, von Bedeutung sein.

Originalarbeit:
Minseok Kim, Matthias Bertram, Michael Pollmann, Alexander von Oertzen, Alexander Mikhailov, Harm Hinrich Rotermund, Gerhard Ertl: Controlling Chemical Turbulence by Global Delayed Feedback: Pattern Formation in Catalytic CO Oxidation Reaction on Pt(110), Science, 18. Mai 2001

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Harm-Hinrich Rotermund
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Abteilung Physikalische Chemie
Tel.: 030 / 8413-5129
Fax: 030 / 8413-5106
E-Mail: rotermun@fhi-berlin.mpg.de

Presseinformation |

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie