나노미터 규모의 혼돈

[아름이]

나노미터 규모의 혼돈
날짜:
2023년 2월 27일
원천:
비엔나 기술 대학교
요약:
무질서한 행동은 일반적으로 대규모 시스템에서 알려져 있습니다. 예를 들어 날씨, 여러 개의 큰 천체에 동시에 끌리는 우주의 소행성 또는 함께 결합된 흔들리는 진자에서 알 수 있습니다. 그러나 원자 규모에서는 일반적으로 혼돈이 발생하지 않습니다. 다른 효과가 우세합니다. 이제 과학자들은 작은 로듐 결정에 대한 화학 반응에서 나노미터 규모의 혼돈의 명확한 징후를 감지할 수 있었습니다.

전체 이야기
때때로 화학 반응은 한 방향으로만 정지 상태로 진행되지 않고 시공간적 진동을 보입니다. TU Wien에서는 이제 나노미터 규모의 무질서한 거동으로의 전환이 관찰되었습니다.

무질서한 행동은 일반적으로 대규모 시스템에서 알려져 있습니다. 예를 들어 날씨, 여러 개의 큰 천체에 동시에 끌리는 우주의 소행성 또는 함께 결합된 흔들리는 진자에서 알 수 있습니다. 그러나 원자 규모에서는 일반적으로 혼돈이 발생하지 않습니다. 다른 효과가 우세합니다. 이제 처음으로 TU Wien의 과학자들은 작은 로듐 결정에 대한 화학 반응에서 나노미터 규모의 혼돈의 명확한 징후를 감지할 수 있었습니다. 결과는 Nature Communications 저널에 게재되었습니다 .

비활성 상태에서 활성 상태로 - 그리고 다시 되돌아감

연구된 화학 반응은 실제로 매우 간단합니다. 귀금속 촉매의 도움으로 산소가 수소와 반응하여 물을 형성하며, 이는 연료 전지의 기본 원리이기도 합니다. 반응 속도는 외부 조건(압력, 온도)에 따라 다릅니다. 그러나 특정 조건에서 이 반응은 외부 조건이 일정하더라도 진동 거동을 보입니다. "진자가 왼쪽에서 오른쪽으로 그리고 다시 뒤로 움직이는 방식과 유사하게, 반응 속도는 거의 감지할 수 없는 수준과 높은 수준 사이에서 진동하므로 촉매 시스템은 비활성 상태와 활성 상태 사이에서 앞뒤로 진동합니다."라고 Institute of Institute의 Günther Rupprechter 교수는 설명합니다. TU Wien의 재료 화학.

진자는 예측 가능한 것의 고전적인 예입니다. 추를 약간 방해하거나 약간 다른 방식으로 두 번 움직이게 하면 대체로 동일하게 작동합니다. 이런 의미에서 이것은 초기 조건의 최소한의 차이가 장기적 행동에서 크게 다른 결과로 이어지는 카오스 시스템의 반대입니다. 이 동작의 대표적인 예는 탄성 밴드로 연결된 여러 진자입니다.

정확히 동일한 초기 조건을 두 번 설정하는 것은 불가능합니다.

Yuri Suchorski 교수(TU Wien)는 "원칙적으로는 물론 자연법칙이 여전히 추의 행동 방식을 정확히 결정합니다"라고 말합니다. "우리가 정확히 같은 방식으로 두 번 진자 결합 시스템을 시작할 수 있다면 진자는 두 번 모두 정확히 같은 방식으로 움직일 것입니다." 그러나 실제로는 불가능합니다. 첫 번째와 동일한 초기 상황을 두 번째로 완벽하게 재현할 수 없으며 초기 조건의 아주 작은 차이조차도 시스템이 이전과 완전히 다르게 작동하게 합니다. 처음 -- 이것은 유명한 "나비 효과"입니다. 초기 조건의 작은 차이가 나중에 상태의 큰 차이로 이어집니다.

매우 유사한 것이 로듐 나노결정의 화학적 진동 중에 관찰되었습니다. 실험. "이러한 각 측면에서 화학 반응은 진동하지만 인접한 측면의 반응은 결합됩니다."

전환 -- 질서에서 혼돈으로

결합 거동은 이제 수소의 양을 변경함으로써 놀라운 방식으로 제어될 수 있습니다. 처음에는 하나의 측면이 심박 조율기처럼 속도를 지배하고 설정합니다. 다른 모든 측면이 합류하여 동일한 비트로 진동합니다. 수소 농도를 높이면 상황이 더 복잡해집니다. 서로 다른 면은 서로 다른 주파수로 진동하지만 여전히 그 동작은 주기적이며 잘 예측 가능합니다. 그러나 수소 농도를 더 높이면 이 질서가 갑자기 깨집니다. 혼돈이 승리하고 진동은 예측할 수 없게 되며 초기 상황의 작은 차이는 완전히 다른 진동 패턴으로 이어집니다. 이는 혼돈의 분명한 신호입니다.

Yuri Suchorski는 "나노미터 크기의 구조에서 혼란스러운 행동을 실제로 기대하지 않기 때문에 이것은 놀랍습니다."라고 말했습니다. "시스템이 작을수록 확률적 노이즈의 기여도가 커집니다. 실제로 혼돈과는 완전히 다른 노이즈가 시스템의 동작을 지배해야 합니다. 표시를 "추출"할 수 있다는 것이 훨씬 더 흥미롭습니다. 혼돈의." Keita Tokuda 교수(University Tsukuba)가 개발한 이론적 모델이 특히 유용했습니다.

나노화학에 적용된 카오스 연구

"카오스 이론에 대한 연구는 수십 년 동안 진행되어 왔으며 이미 더 큰 (거시적) 시스템의 화학 반응에 성공적으로 적용되었지만 우리 연구는 이 분야의 광범위한 지식을 나노미터 규모로 이전하려는 첫 번째 시도입니다." Günther Rupprechter는 말합니다. "결정 대칭의 작은 편차는 촉매가 질서 있고 예측 가능한 방식으로 또는 무질서하고 혼란스러운 방식으로 작동하는지 여부를 결정할 수 있습니다. 이것은 다양한 화학 반응에 중요하며 아마도 생물학적 시스템에도 중요합니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/