Bazen kimyasal reaksiyonlar sadece tek bir yönde durağan olarak ilerlemez, aynı zamanda uzay-zamansal osilasyonlar (salınımlar) da gösterirler. TU Wien’de şimdi nanometre ölçeğinde kaotik davranışa geçiş gözlemlendi.
Kaotik davranış tipik olarak büyük sistemlerden bilinir. Örneğin; hava durumundan, uzayda aynı anda birkaç büyük gök cismi tarafından çekilen asteroitlerden veya birbirine bağlanmış sallanan sarkaçlardan.
Ancak atomik ölçekte normalde kaosla karşılaşılmaz – başka etkiler baskındır. Şimdi, Viyana Teknik Üniversitesi’ndeki bilim insanları ilk kez nanometre ölçeğinde – küçük rodyum kristalleri üzerindeki kimyasal reaksiyonlarda – kaosun açık belirtilerini tespit edebildiler. Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı.
İnaktiften Aktife – ve Tekrar Geri Dönüş
İncelenen kimyasal reaksiyon aslında oldukça basittir. Değerli bir metal katalizör yardımıyla oksijen hidrojenle reaksiyona girerek su oluşturur, bu aynı zamanda bir yakıt hücresinin temel prensibidir. Reaksiyon hızı dış koşullara (basınç, sıcaklık) bağlıdır. Ancak belirli koşullar altında, dış koşullar sabit olsa bile bu reaksiyon osilasyon davranışı gösterir. TU Wien Malzeme Kimyası Enstitüsü’nden Prof. Günther Rupprechter, “Bir sarkacın soldan sağa ve tekrar geriye doğru salınmasına benzer şekilde, reaksiyon hızı çok az algılanabilir ve yüksek değerler arasında salınır ve böylece katalitik sistem inaktif ve aktif durumlar arasında ileri geri osilasyon yapar” diye açıklıyor.
Sarkaç, öngörülebilir bir şeyin klasik bir örneğidir – onu biraz rahatsız ederseniz veya biraz farklı şekillerde iki kez harekete geçirirseniz, genel olarak aynı şekilde davranır. Bu anlamda, başlangıç koşullarındaki küçük farklılıkların uzun vadeli davranışta büyük ölçüde farklı sonuçlara yol açtığı kaotik bir sistemin tam tersidir. Bu davranışın en iyi örneği, elastik bantlarla birbirine bağlanmış birkaç sarkaçtır.
Tam Olarak Aynı Başlangıç Koşullarını İki Kez Ayarlamak İmkansızdır!
Dr. Yuri Suchorski (TU Wien) “Prensipte, elbette, doğa kanunları hala sarkaçların nasıl davranacağını tam olarak belirliyor” dedi “Eğer böyle bağlantılı bir sarkaç sistemini tam olarak aynı şekilde iki kez başlatabilseydik, sarkaçlar her iki seferde de tam olarak aynı şekilde hareket ederdi.” Ancak pratikte bu imkansızdır. İlk seferde yaptığınız başlangıç durumunu ikinci seferde asla mükemmel bir şekilde yeniden yaratamazsınız – ve başlangıç koşullarındaki yok denecek kadar küçük bir fark bile sistemin ilk seferden tamamen farklı davranmasına neden olur — bu ünlü “kelebek etkisi “dir. Başlangıç koşullarındaki küçük farklılıklar daha sonraki bir zamanda durumda büyük farklılıklara yol açar.
Rodyum nanokristalindeki kimyasal osilasyonlar sırasında şimdi çok benzer bir şey gözlemlendi. Deneyleri gerçekleştiren Maximilian Raab ve Johannes Zeininger, “Kristal, cilalı bir elmas gibi ancak nanometre mertebesinde çok daha küçük birçok farklı yüzey nanofasetten oluşuyor” diye açıklıyor. “Bu fasetlerin (yüzey) her birinde kimyasal reaksiyon osilasyon yapıyor, ancak komşu yüzeylerdeki reaksiyonlar birbirine bağlı.”
Düzenden Kaosa Geçiş
Bağlanma davranışı artık hidrojen miktarını değiştirerek dikkate değer bir şekilde kontrol edilebilir. Başlangıçta, bir faset baskındır ve bir kalp pili gibi hızı belirler. Diğer tüm fasetler buna katılır ve aynı ritimde salınır. Eğer hidrojen konsantrasyonu artırılırsa, durum daha karmaşık bir hal alır. Farklı fasetler farklı frekanslarda salınım yapar – ancak yine de davranışları periyodiktir ve iyi tahmin edilebilir.
Ancak hidrojen konsantrasyonu daha da artırılırsa bu düzen aniden bozulur. Kaos kazanır, osilasyonlar öngörülemez hale gelir. Başlangıç durumundaki küçük farklılıklar tamamen farklı osilasyon modellerine yol açar – bu da kaosun açık bir işaretidir.
Yuri Suchorski, “Bu dikkat çekici çünkü nanometre boyutundaki yapılarda kaotik davranış beklemezsiniz” diyor. “Sistem ne kadar küçükse, stokastik gürültünün katkısı da o kadar büyük olur. Aslında, kaostan tamamen farklı bir şey olan gürültü, sistemin davranışına hakim olmalıdır. Kaos belirtilerini “ayıklamanın” mümkün olması daha da ilginçtir. Dr. Keita Tokuda (Tsukuba Üniversitesi) tarafından geliştirilen teorik bir model özellikle faydalı olmuştur.
Nano-Kimya’ya Uygulanan Kaos Araştırması
Günther Rupprechter “Kaos teorisi üzerine araştırmalar onlarca yıldır devam ediyor ve daha büyük (makroskopik) sistemlerdeki kimyasal reaksiyonlara başarıyla uygulandı ancak çalışmamız bu alandaki kapsamlı bilgiyi nanometre ölçeğine aktarmak için ilk girişimdir” dedi. “Kristalin simetrisindeki küçük sapmalar, katalizörün düzenli ve öngörülebilir bir şekilde mi yoksa düzensiz ve kaotik bir şekilde mi davranacağını belirleyebilir. Bu, farklı kimyasal reaksiyonlar ve hatta belki de biyolojik sistemler için önemlidir.”[1]Chaos on the nanometer scale
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Chaos on the nanometer scale |
|---|
