探索纳米尺度上的混沌

混沌行为通常从大型系统中已知：例如，从天气，来自太空中同时被几个大型天体吸引的小行星，或者来自耦合在一起的摆动摆锤。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，TU Wien的科学家们首次能够在纳米尺度上检测到混乱的明确迹象 - 在微小铑晶体上的化学反应中。研究结果已发表在《自然通讯》杂志上。

从非活动状态到活动状态，然后再返回

研究的化学反应其实很简单：在贵金属催化剂的帮助下，氧气与氢气反应形成水，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，即使外部条件是恒定的，这种反应也表现出振荡行为。

“类似于钟摆从左摆到右再摆动的方式，反应速率在几乎察觉不到和高之间振荡，因此催化系统在非活性和活性状态之间来回振荡，”TU Wien材料化学研究所的Günther Rupprechter教授解释说。

钟摆是可预测事物的典型例子——如果你稍微干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，初始条件的最小差异导致长期行为的结果大不相同。这种行为的一个主要例子是通过松紧带连接的几个钟摆。

两次设置完全相同的初始条件是不可能的

“当然，原则上，自然法则仍然决定着钟摆的行为方式，”Yuri Suchorski教授(TU Wien)说。“如果我们能以完全相同的方式启动这样一个耦合的钟摆系统两次，那么钟摆两次都会以完全相同的方式移动。

但在实践中，这是不可能的：你永远无法在第二次完美地重现与第一次相同的初始情况——即使初始条件中微小的差异也会导致系统的行为与第一次完全不同——这就是著名的“蝴蝶效应”：初始条件的微小差异会导致以后状态的巨大差异。

现在在铑纳米晶体上的化学振荡过程中观察到非常相似的东西：“晶体由许多不同的表面纳米刻面组成，就像抛光的钻石一样，但要小得多，大约是纳米，”进行实验的马克西米利安·拉布和约翰内斯·泽宁格解释说。在这些方面中的每一个，化学反应振荡，但相邻面上的反应是耦合的。

切换——从有序到混乱

现在可以通过改变氢量来控制偶联行为。最初，一个方面主导并像心脏起搏器一样设定步伐。所有其他方面都加入并随着相同的节拍振荡。如果增加氢浓度，情况就会变得更加复杂。不同的方面以不同的频率振荡，但它们的行为仍然是周期性的，并且是可预测的。

但是，如果进一步增加氢浓度，这个顺序就会突然崩溃。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——这是混沌的明显迹象。

“这是了不起的，因为你不会真正期望纳米尺寸结构中的混乱行为，”Yuri Suchorski说。“系统越小，随机噪声的贡献就越大。事实上，与混沌完全不同的噪音应该主导系统的行为：更有趣的是，可以'提取'混沌的迹象”。由Keita Tokuda教授开发的理论模型特别有用。

混沌研究应用于纳米化学

“混沌理论的研究已经进行了几十年，它已经成功地应用于较大(宏观)系统中的化学反应，但我们的研究是将这一领域的广泛知识转移到纳米尺度的第一次尝试，”Günther Rupprechter说。

“晶体对称性的微小偏差可以确定催化剂是以有序和可预测的方式表现，还是以无序和混乱的方式表现。这对于不同的化学反应很重要，甚至对生物系统也很重要。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！