Chemiker bändigen das Chaos

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. Bild vergrößern
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.

Wenn kleinste Veränderungen am Ausgangszustand riesige Auswirkungen auf das Produkt haben, sprechen Wissenschaftler vom Chaos. Das Klima gehört dazu, die Turbulenzbildung in Flüssigkeitsströmungen oder die Aggregation von Bakterien in biologischen Systemen. Aber auch chemische Reaktionen können chaotisch verlaufen.

Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts haben sich die katalytisch gesteuerte Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid angeschaut. Die Reaktion findet an einem Platin-Katalysator statt und ist eine Art Modellreaktion. Die aus gasförmigem Sauerstoff gebildeten Atome sind an der Platinoberfläche fest gebunden und erwarten dort ihren Reaktionspartner: das Kohlenmonoxid-Molekül. Dieses ist leicht beweglich, springt gewissermaßen über die Oberfläche und wenn es ein Sauerstoffatom findet, können sich die beiden zu Kohlendioxid verbinden, welches die Oberfläche sogleich wieder verlässt.

Unter bestimmten Bedingungen ist der Produktfluss nicht konstant und auf der Oberfläche bilden sich selbstorganisierte Muster. Gerhard Ertl und seine Mitarbeiter haben sich deshalb genauer angesehen, was da passiert. Mit einem speziellen Mikroskop, dem so genannten Photoelektronen-Emissionsmikroskop, können sie den Prozess sichtbar machen. Dabei fällt auf, dass die räumlichen Bedeckungsmuster von zeitlichen Schwankungen (Oszillationen) im Takt von wenigen Sekunden begleitet werden. Die Sauerstoff- und Kohlenmonoxid-Fronten erscheinen im Videobild unterschiedlich farbig. Man sieht, dass sie spiralförmige Turbulenzen bilden können, ähnlich einem Hurrican. Diesen Hurrican haben die Wissenschaftler in geordnete Bedeckungsmuster umgewandelt.

Anhand mathematischer Modellrechnungen haben Theoretiker vorhergesagt, dass sich die chaotischen Strukturen mithilfe einer Rückkopplungsschleife unterdrücken lassen. Neue, vorher im Chaos verborgene Muster könnten dadurch hervortreten. Harm-Hinrich Rotermund hat in seinen Experimenten aus den Turbulenzen nach und nach schachbrettartige Muster, Streifen oder gleichförmig schwingende Wellen gemacht. Dies gelingt, indem die Information, die von dem Mikroskop kommt, mit dem Reaktionsgefäß rückgekoppelt wird. Ein Computer erhält das aktuelle Bild und berechnet immer wieder neu, ob das Kohlenmonoxid-Ventil weiter geöffnet oder geschlossen werden soll. Das geschieht mit einer gewissen Zeitverzögerung, wobei diese ebenso wie die Intensität des Rückkopplungs-Signals variiert wird. Unter den so veränderten Rahmenbedingungen konnten sich die neuen Muster selbstorganisiert ausbilden. Die Max-Planck-Forscher erbrachten damit den experimentellen Beweis, dass hochdimensionales Chaos mit einfachen Mitteln beherrscht werden kann.

„Die Prinzipien, die wir für dieses einfache System gefunden haben, können auf andere Probleme angewendet werden“, sagt Gerhard Ertl. Die Wissenschaftler sind jetzt dabei, komplexere Rückkopplungssysteme zu entwickeln. Damit wollen sie Systeme synchronisieren, die aus mehr als zwei Beteiligten bestehen. „Möglicherweise kann so bei einer chemischen Reaktion die Ausbeute eines gewünschten Produktes erhöht und die Bildung von Nebenprodukten unterdrückt werden“, nennt Ertl eine weitere Anwendung.

Max-Planck-Gesellschaft (2001)

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