A veces, las reacciones químicas no solo son estacionarias en una dirección, sino que muestran oscilaciones espacio-temporales. En TU Wien, ahora se ha observado una transición a un comportamiento caótico en la escala nanométrica.
El comportamiento caótico se conoce típicamente de grandes sistemas: por ejemplo, del clima, de asteroides en el espacio que son atraídos simultáneamente por varios cuerpos celestes grandes, o de péndulos oscilantes que están acoplados. En la escala atómica, sin embargo, normalmente no se encuentra el caos; predominan otros efectos. Ahora, por primera vez, los científicos de TU Wien han podido detectar indicaciones claras de caos en la escala nanométrica, en reacciones químicas en pequeños cristales de rodio. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Communications.
De inactivo a activo, y viceversa
La reacción química estudiada es bastante simple : con la ayuda de un catalizador de metal precioso, el oxígeno reacciona con el hidrógeno para formar agua, que también es el principio básico de una pila de combustible. La velocidad de reacción depende de las condiciones externas (presión, temperatura). Sin embargo, bajo ciertas condiciones, esta reacción muestra un comportamiento oscilante, aunque las condiciones externas sean constantes. « Al igual que un péndulo oscila de izquierda a derecha y viceversa, la velocidad de reacción oscila entre apenas perceptible y alta y, por lo tanto, el sistema catalítico oscila entre estados inactivos y activos », explica el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales en TU Wien.
Un péndulo es un ejemplo clásico de algo predecible : si lo mueves un poco o lo pones en movimiento dos veces de formas ligeramente diferentes, se comporta básicamente igual. En este sentido, es lo opuesto a un sistema caótico, donde diferencias mínimas en las condiciones iniciales conducen a resultados muy diferentes en el comportamiento a largo plazo. Un buen ejemplo de este comportamiento son varios péndulos conectados por bandas elásticas.
Establecer exactamente las mismas condiciones iniciales dos veces es imposible
« En principio, por supuesto, las leyes de la naturaleza todavía determinan exactamente cómo se comportan los péndulos », dice el profesor Yuri Suchorski (TU Wien). « Si pudiéramos iniciar un sistema de péndulos acoplados exactamente de la misma manera dos veces, los péndulos se moverían exactamente de la misma manera en ambas ocasiones ». Pero en la práctica, eso es imposible : nunca podrá recrear perfectamente la misma situación inicial la segunda vez que lo hizo la primera, e incluso una diferencia mínimamente pequeña en las condiciones iniciales hará que el sistema se comporte completamente diferente al anterior. primera vez : este es el famoso « efecto mariposa » : pequeñas diferencias en las condiciones iniciales conducen a grandes diferencias en el estado en un momento posterior.
Ahora se ha observado algo muy similar durante las oscilaciones químicas en un nanocristal de rodio : « El cristal consta de muchas nanofacetas superficiales diferentes, como un diamante pulido, pero mucho más pequeñas, del orden de nanómetros », explican Maximilian Raab y Johannes Zeininger, quienes realizaron los experimentos « En cada una de estas facetas, la reacción química oscila, pero las reacciones en las facetas vecinas están acopladas ».
Conmutación : del orden al caos
El comportamiento de acoplamiento ahora se puede controlar de una manera notable, cambiando la cantidad de hidrógeno. Inicialmente, una faceta domina y marca el ritmo como un marcapasos. Todas las demás facetas se unen y oscilan al mismo ritmo. Si se aumenta la concentración de hidrógeno, la situación se vuelve más complicada. Diferentes facetas oscilan con diferentes frecuencias, pero aún así su comportamiento es periódico y bien predecible. Sin embargo, si luego se aumenta aún más la concentración de hidrógeno, este orden se rompe repentinamente. El caos gana, las oscilaciones se vuelven impredecibles, pequeñas diferencias en la situación inicial conducen a patrones de oscilación completamente diferentes, una clara señal de caos.
« Esto es notable porque realmente no se esperaría un comportamiento caótico en estructuras de tamaño nanométrico », dice Yuri Suchorski. « Cuanto más pequeño es el sistema, mayor es la contribución del ruido estocástico. De hecho, el ruido, que es algo completamente diferente al caos, debería dominar el comportamiento del sistema : es aún más interesante que fue posible « extraer » indicaciones del caos ». Un modelo teórico fue particularmente útil, desarrollado por el Prof. Keita Tokuda (Universidad Tsukuba).
Investigación del caos aplicada a la nanoquímica
« La investigación sobre la teoría del caos se ha llevado a cabo durante décadas y ya se ha aplicado con éxito a reacciones químicas en sistemas (macroscópicos) más grandes, pero nuestro estudio es el primer intento de transferir el extenso conocimiento de este campo a la escala nanométrica ». dice Günther Rupprechter. « Pequeñas desviaciones en la simetría del cristal pueden determinar si el catalizador se comporta de manera ordenada y predecible o de manera desordenada y caótica. Esto es importante para diferentes reacciones químicas, y tal vez incluso para los sistemas biológicos ».