Le chaos à l'échelle du nanomètre
La recherche sur le chaos appliquée à la nano-chimie
Parfois, les réactions chimiques ne se déroulent pas seulement de manière stationnaire dans une seule direction, mais elles présentent des oscillations spatio-temporelles. À la TU Wien, on a observé une transition vers un comportement chaotique à l'échelle nanométrique.
Nanochaos sur un nanocristal de Rhodium asymétrique
TU Wien
Le comportement chaotique est généralement connu dans les grands systèmes : par exemple, dans les conditions météorologiques, dans les astéroïdes dans l'espace qui sont simultanément attirés par plusieurs grands corps célestes, ou dans les pendules oscillants qui sont couplés ensemble. À l'échelle atomique, cependant, on ne rencontre normalement pas le chaos - d'autres effets prédominent. Pour la première fois, des scientifiques de l'Université technique de Vienne ont pu détecter des signes évidents de chaos à l'échelle nanométrique, dans des réactions chimiques sur de minuscules cristaux de rhodium. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.
De l'inactif à l'actif - et vice-versa
La réaction chimique étudiée est en fait assez simple : à l'aide d'un catalyseur en métal précieux, l'oxygène réagit avec l'hydrogène pour former de l'eau, ce qui est également le principe de base d'une pile à combustible. La vitesse de la réaction dépend des conditions extérieures (pression, température). Dans certaines conditions, cependant, cette réaction présente un comportement oscillant, même si les conditions externes sont constantes. "De la même manière qu'un pendule oscille de gauche à droite et inversement, la vitesse de réaction oscille entre un niveau à peine perceptible et un niveau élevé, et le système catalytique oscille entre un état inactif et un état actif", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de l'Université technique de Vienne.
Un pendule est un exemple classique de quelque chose de prévisible : si vous le perturbez un peu ou si vous le mettez en mouvement deux fois de manière légèrement différente, il se comporte globalement de la même manière. En ce sens, il est l'opposé d'un système chaotique, où des différences minimes dans les conditions initiales entraînent des résultats très différents dans le comportement à long terme. Un excellent exemple de ce comportement est celui de plusieurs pendules reliés par des bandes élastiques.
Il est impossible de définir exactement les mêmes conditions initiales deux fois
"En principe, bien sûr, les lois de la nature déterminent toujours exactement le comportement des pendules", explique le professeur Yuri Suchorski (TU Wien). "Si nous pouvions faire démarrer un tel système couplé de pendules exactement de la même manière deux fois, les pendules se déplaceraient exactement de la même façon les deux fois." Mais en pratique, c'est impossible : vous ne pourrez jamais recréer parfaitement la même situation initiale la deuxième fois que la première - et même une différence infime dans les conditions initiales fera que le système se comportera complètement différemment de la première fois - c'est le fameux "effet papillon" : de petites différences dans les conditions initiales entraînent d'énormes différences dans l'état à un moment ultérieur.
Un phénomène très similaire vient d'être observé lors d'oscillations chimiques sur un nanocristal de rhodium : "Le cristal est constitué de nombreuses nanofacettes de surface différentes, comme un diamant poli, mais beaucoup plus petites, de l'ordre du nanomètre", expliquent Maximilian Raab et Johannes Zeininger, qui ont réalisé les expériences. "Sur chacune de ces facettes, la réaction chimique oscille, mais les réactions sur les facettes voisines sont couplées."
Commutation - de l'ordre au chaos
Le comportement de couplage peut maintenant être contrôlé de manière remarquable - en modifiant la quantité d'hydrogène. Au départ, une facette domine et donne le ton, comme un stimulateur cardiaque. Toutes les autres facettes se joignent à elle et oscillent au même rythme. Si l'on augmente la concentration d'hydrogène, la situation se complique. Les différentes facettes oscillent à des fréquences différentes, mais leur comportement reste périodique et bien prévisible. Cependant, si l'on augmente encore la concentration d'hydrogène, cet ordre s'effondre soudainement. Le chaos l'emporte, les oscillations deviennent imprévisibles, de petites différences dans la situation initiale entraînent des schémas d'oscillation complètement différents - un signe évident de chaos.
"C'est remarquable car on ne s'attendrait pas vraiment à un comportement chaotique dans des structures de taille nanométrique", explique Yuri Suchorski. "Plus le système est petit, plus la contribution du bruit stochastique est importante. En fait, le bruit, qui est quelque chose de complètement différent du chaos, devrait dominer le comportement du système : il est encore plus intéressant qu'il ait été possible d'"extraire" des indications de chaos". Un modèle théorique a été particulièrement utile, développé par le professeur Keita Tokuda (Université de Tsukuba).
La recherche sur le chaos appliquée à la nanochimie
"La recherche sur la théorie du chaos se poursuit depuis des décennies, et elle a déjà été appliquée avec succès aux réactions chimiques dans des systèmes plus grands (macroscopiques), mais notre étude est la première tentative de transférer les vastes connaissances de ce domaine à l'échelle nanométrique", explique Günther Rupprechter. "De petites déviations dans la symétrie du cristal peuvent déterminer si le catalyseur se comporte de manière ordonnée et prévisible ou de manière désordonnée et chaotique. C'est important pour différentes réactions chimiques - et peut-être même pour les systèmes biologiques."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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