O comportamento caótico é normalmente conhecido de grandes sistemas: por exemplo, do clima, de asteróides no espaço que são atraídos simultaneamente por vários grandes corpos celestes ou de pêndulos oscilantes que são acoplados. Na escala atômica, no entanto, normalmente não se encontra o caos – outros efeitos predominam.
Agora, pela primeira vez, os cientistas da TU Wien foram capazes de detectar indícios claros de caos em escala nanométrica – em reações químicas em minúsculos cristais de ródio. Os resultados foram publicados na revista Nature Communications.
De inativo a ativo – e vice-versa
A reação química estudada é bastante simples: com a ajuda de um catalisador de metal precioso, o oxigênio reage com o hidrogênio para formar água, que também é o princípio básico de uma célula a combustível. A velocidade da reação depende das condições externas (pressão, temperatura). Sob certas condições, no entanto, esta reação apresenta um comportamento oscilante, mesmo que as condições externas sejam constantes.
“Semelhante ao modo como um pêndulo oscila da esquerda para a direita e vice-versa, a taxa de reação oscila entre quase imperceptível e alta e, portanto, o sistema catalítico oscila entre os estados inativo e ativo”, explica o Prof. Günther Rupprechter, do Instituto de Química de Materiais na TU Wien.
Um pêndulo é um exemplo clássico de algo previsível – se você o perturbar um pouco ou colocá-lo em movimento duas vezes de maneiras ligeiramente diferentes, ele se comporta basicamente da mesma forma. Nesse sentido, é o oposto de um sistema caótico, onde diferenças mínimas nas condições iniciais levam a resultados fortemente divergentes no comportamento de longo prazo. Um excelente exemplo desse comportamento são vários pêndulos conectados por elásticos.
Definir exatamente as mesmas condições iniciais duas vezes é impossível
“Em princípio, é claro, as leis da natureza ainda determinam exatamente como os pêndulos se comportam”, diz o Prof. Yuri Suchorski (TU Wien). “Se pudéssemos iniciar um sistema acoplado de pêndulos exatamente da mesma maneira duas vezes, os pêndulos se moveriam exatamente da mesma maneira nas duas vezes.”
Mas, na prática, isso é impossível: você nunca será capaz de recriar perfeitamente a mesma situação inicial na segunda vez que fez na primeira – e mesmo uma diferença mínima nas condições iniciais fará com que o sistema se comporte completamente diferente da primeira vez. tempo – este é o famoso “efeito borboleta”: pequenas diferenças nas condições iniciais levam a enormes diferenças no estado em um momento posterior.
Algo muito semelhante já foi observado durante oscilações químicas em um nanocristal de ródio: “O cristal consiste em muitas nanofacetas de superfície diferentes, como um diamante polido, mas muito menor, da ordem de nanômetros”, explicam Maximilian Raab e Johannes Zeininger, que realizaram os experimentos. “Em cada uma dessas facetas, a reação química oscila, mas as reações nas facetas vizinhas são acopladas.”
Mudança – da ordem ao caos
O comportamento do acoplamento agora pode ser controlado de maneira notável – alterando a quantidade de hidrogênio. Inicialmente, uma faceta domina e marca o ritmo como um marca-passo. Todas as outras facetas se juntam e oscilam na mesma batida. Se aumentarmos a concentração de hidrogênio, a situação se complica. Diferentes facetas oscilam com diferentes frequências – mas ainda assim seu comportamento é periódico e bem previsível.
No entanto, se aumentarmos ainda mais a concentração de hidrogênio, essa ordem será quebrada repentinamente. O caos vence, as oscilações tornam-se imprevisíveis, pequenas diferenças na situação inicial levam a padrões de oscilação completamente diferentes – um claro sinal de caos.
“Isso é notável porque você realmente não esperaria um comportamento caótico em estruturas de tamanho nanométrico”, diz Yuri Suchorski. “Quanto menor o sistema, maior a contribuição do ruído estocástico. Na verdade, o ruído, que é algo completamente diferente do caos, deveria dominar o comportamento do sistema: é ainda mais interessante que tenha sido possível ‘extrair’ indicações do caos”. Um modelo teórico foi particularmente útil, desenvolvido pelo Prof. Keita Tokuda.
Pesquisa do caos aplicada à nanoquímica
“A pesquisa sobre a teoria do caos vem ocorrendo há décadas e já foi aplicada com sucesso a reações químicas em sistemas (macroscópicos) maiores, mas nosso estudo é a primeira tentativa de transferir o amplo conhecimento desse campo para a escala nanométrica”, disse. diz Günther Rupprechter.
“Pequenos desvios na simetria do cristal podem determinar se o catalisador se comporta de maneira ordenada e previsível ou desordenada e caótica. Isso é importante para diferentes reações químicas – e talvez até para sistemas biológicos.”
Publicado em 28/02/2023 21h48
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