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