dc.contributor.author
Wolff, Janpeter
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:29:15Z
dc.date.available
2003-01-16T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1153
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5355
dc.description
Titelblatt und Inhalt
1
Einleitung
1
2
Grundlagen
5
2.1
Grundlagen der nichtlinearen Dynamik
5
2.1.1
Nullklinen-Diagramme
6
2.1.2
Monostabile Systeme
7
2.1.3
Bistabile Systeme
7
2.1.4
Anregbare Systeme
8
2.1.5
Oszillatorische Systeme
8
2.2
Grundlagen des untersuchten Reaktions-Diffusions-Systems
9
2.2.1
Pt(110)
10
2.2.2
CO auf Pt(110)
10
2.2.3
Sauerstoff auf Pt(110)
13
2.2.4
Die CO-Oxidation auf Pt(110)
13
3
Das Experiment
19
3.1
Das Vakuumsystem
19
3.2
Ellipsomicroscopy for Surface Imaging (EMSI)
21
3.2.1
Ellipsometrie
22
3.2.2
Das EMSI - abbildende Ellipsometrie
25
3.3
Der Laser
27
4
Die Erwärmung der Oberfläche
29
4.1
Größe des Fokus
29
4.2
Messungen mit der IR-Kamera
29
4.2.1
Kurzzeitbereich
30
4.2.2
Langzeitbereich
31
4.2.3
Größe des erwärmten Bereichs
34
4.3
Simulationen
36
4.3.1
Die Erwärmung
36
4.3.2
Die Abkühlung
38
4.4
Zusammenfassung
40
5
Die stationäre Temperaturinhomogenität
41
5.1
Der stationäre Laserspot im Anregbaren
41
5.2
Erzeugung von Fronten
46
5.3
Schrittmacher
47
6
Kooperativität
57
6.1
Zwei Punkte in der Zeit, einer im Raum
57
6.2
Zwei Punkte im Raum, einer in der Zeit
63
6.3
Zwei Punkte in Raum und Zeit
65
6.4
Zwei Punkte im Raum, viele in der Zeit
71
6.5
Bewegung des Lasers entlang einer Linie
72
7
Dragging
79
8
Periodische Störungen und der ,,Lupen''-Effekt
89
8.1
Lokales Forcing
89
8.1.1
Der periodisch angetriebene Oszillator
90
8.1.2
Das Experiment
90
8.1.3
Ergebnisse der Messungen
91
8.2
Der ,,Lupen''-Effekt
100
9
Feedback-Messungen
105
9.1
Feedback I
105
9.2
Feedback II
107
10
Steuerung der Musterbildung
115
10.1
Das Führen und Auslöschen von Wellen
115
10.2
Verbesserung der Reaktionsrate
117
11
Zusammenfassung
125
Literaturverzeichnis
131
dc.description.abstract
Diese Doktorarbeit untersucht die Auswirkungen lokalisierter raumzeitlicher
Störungen auf ein einfaches Reaktions-Diffusions-System, die CO Oxidation auf
Pt(110). Diese Reaktion zeigt gut verstandene raumzeitliche Muster und ist
daher als Modellsystem bestens geeignet. Die lokalisierten raumzeitlichen
Störungen werden mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls und zweier
computerkontrollierter galvanischer Spiegel erzeugt. Es wird gezeigt, daß
diese Vorgehensweise präzises ,,Schreiben'' raumzeitlicher Temperaturfelder
auf der Oberfläche des Pt(110)-Einkristalls erlaubt.
Beginnend mit einfachen Störungen -- einem stationären Laserspot \--
analysiert diese Arbeit die Auswirkungen von zunehmend komplexeren
raumzeitlichen Temperaturfeldern. Bereits der stationäre Laserspot -- ein
Punkt in Zeit und Raum -- zeigt eine beachtliche Anzahl von Phänomenen: Im
anregbaren Bereich werden CO-Wellen gebremst oder gelöscht, während
Sauerstoffwellen beschleunigt oder sogar erzeugt werden. Für die Erzeugung von
Sauerstoffwellen werden Grenzwerte bezüglich der Laserleistung und der
Heizdauer bestimmt. Im oszillatorischen Bereich werden Zielscheibenmuster mit
nach außen (sowohl ausgedehnte als auch lokalisierte) und nach innen
propagierenden Wellen beobachtet und mit Simulationen1 verglichen.
In einem zweiten Schritt werden Kombinationen zweier unterkritischer
Heizereignisse im anregbaren Bereich untersucht. Die lokal erhöhte CO-
Desorption an den Stellen der Störung ist der Schlüssel zum Verständnis der
beobachteten zeitlichen, räumlichen oder raumzeitlichen Kooperation.
Diese Ergebnisse werden auf die Bewegungen des Laserspots entlang einer Linie
sowohl mit überkritischer Laserleistung -- der stationäre Laserspot erzeugt
Sauerstoffwellen -- als auch mit unterkritischer Laserleistung erweitert.
Abhängig von seiner Geschwindigkeit kreiert der superkritische Laser entweder
machkegelähnliche Wellen, Wellen auf Teilstücken seines Pfades oder hat
anscheinend keinen Effekt auf das Medium. Der unterkritische Laser wird
benutzt, um eine bereits existierende Welle zu ziehen (,,Dragging''). Bei
größeren Geschwindigkeiten verliert der Laserspot die Welle. Das Ablösen der
Welle vom Laserspot wird detailliert anhand von Simulationen2 analysiert.
Die Komplexität der Störungen wird weiter erhöht, indem die Auswirkungen lokal
periodischer Temperaturfeldinhomogenitäten auf das homogen oszillierende
Medium anhand eines auf einer Kreisbahn bewegten fokussierten Lasers
untersucht werden. Im Gegensatz zu früheren Beobachtungen, bei denen das
System global angetrieben wurde, konnte kein Frequenzeinfang gefunden werden.
Die Beobachtungen werden durch die Erweiterung der Ergebnisse, die für den
stationären Laserspot erhalten wurden, erklärt.
Eine weitere Erhöhung der Komplexität wird bei der Untersuchung einiger
Beispiele von Rückkopplungsexperimenten mit raumzeitlich aufgelöster Detektion
und Aktion erreicht. Hier führen kleine Änderungen des
Rückkopplungsalgorithmus zu signifikanten Änderungen im kombinierten System
aus Reaktion und Computer, z.B. zum Auftauchen stabiler Zustände.
Diese Arbeit richtet ihren Blick auch auf die potentielle Anwendbarkeit der
neu gewonnenen Erkenntnisse: Das Führen von CO-Wellen entlang eines
vorbestimmten Pfades und somit das ,,Bereitstellen'' einer chemischen Spezies
an einem bestimmten Ort wird demonstriert. Außerdem werden verschiedene
Strategien zur raumzeitlich variablen Operation der Reaktion mit der
Zielsetzung, die CO2-Produktion zu erhöhen, untersucht. Dieses Ziel wird
erreicht, allerdings nur in einem Bereich, in dem die natürliche
CO2-Produktion gering ist.
1M. Stich, Berlin.
2X. Li, Princeton und A. G. Papathanasiou, Berlin.
de
dc.description.abstract
This thesis investigates the effects localized spatiotemporal perturbations
have on a simple reaction diffusion system, the CO oxidaton on Pt(110). This
reaction exhibits well-understood spatiotemporal patterns and is therefore
well suited as a model system. The localized spatiotemporal perturbations are
realized using a focused laser beam and two computer-controlled galvanic
mirrors. It is shown that this setup allows precise ''writing'' of
spatiotemporal temperature fields onto the surface of the Pt(110) single
crystal.
Starting with simple perturbations -- the stationary laser spot -- this work
analyzes the effects of progressively more complex spatiotemporal temperature
fields. Already the stationary laser spot -- one point in time and space \--
is found to show a considerable variety of phenomena: In the excitable regime
CO waves are decelerated or deleted, while oxygen waves are accelerated or
even created. For the creation of oxygen waves thresholds with respect to
laser power and heating duration are determined. In the oscillatory regime
target patterns with outwardly (both extended and localized) and inwardly
propagating waves are observed and compared to simulations1.
In a second step combinations of two subcritical heating events are
investigated in the excitable regime. The locally increased CO desorption at
the site(s) of the perturbations is the key to understanding the observed
temporal, spatial or spatiotemporal cooperation.
These findings are extended to laser spot movements along a line, both with
supercritical laser power -- the stationary laser spot causes the emission of
oxygen waves -- and with subcritical laser powers. Depending on its speed the
supercritical laser either produces Mach-cone like waves, produces waves only
on parts of its path or doesn't seem to affect the medium. The subcritical
laser is used to ''drag'' a preexisting wave. For higher speeds the laser spot
loses the wave. This loss is analyzed in detail by simulations2.
Further increasing the complexity of the perturbations the effect of locally
periodic temperature field inhomogeneities on the homogeneously oscillating
medium is investigated by moving the focused laser beam around a circle on the
sample. Contrary to observations made earlier when forcing a system globally,
no entrainment could be found. The observations are explained by extending the
results found for the stationary laser spot.
Increasing the complexity even more, some examples for feedback experiments
with spatiotemporally resolved detection and actuation are studied. Here,
small changes in the feedback algorithm lead to significant changes in the
combined system consisting of the reaction and the computer, e.g. the
emergence of stable states.
This work also takes a look at the potential applicability of the newly
acquired knowledge: The guiding of CO waves along a predetermined path thus
''delivering'' a chemical species to a certain location is demonstrated. Also,
strategies for spatiotemporally variable operation of the reaction with the
aim to increase CO2 production are explored. This goal is reached, however,
only in a low CO2 production regime.
1M. Stich, Berlin.
2X. Li, Princeton and A. G. Papathanasiou, Berlin.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
pattern formation
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Lokale Kontrolle der Musterbildung bei der CO-Oxidation auf einer
Pt(110)-Oberfläche
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Gerhard Ertl
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Klaus Christmann
dc.date.accepted
2002-12-20
dc.date.embargoEnd
2003-01-22
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2003000132
dc.title.translated
Local Control of the Pattern Formation during the CO oxdiation on a Pt(110)
surface
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000000873
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2003/13/
refubium.note.author
Kapitel 2. Grundlagen lädt sich sehr langsam
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000000873
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access