Chaoskontrolle in der Chemie


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

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