Chemische Speichereinheiten

Oszillierende chemische Reaktionen können durch Licht erzeugte Muster konservieren

21.04.2006

Oszillierende chemische Reaktionen laufen jenseits des thermodynamischen Gleichgewichts ab. Am besten untersucht sind die Belousov-Zhabotinsky-Reaktionen (BZ). Dabei wird z.B. eine Dicarbonsäure durch Bromat in saurer Lösung oxidiert. Als oszillierender Katalysator dient ein Redoxsystem, dessen oxidierte und reduzierte Form sich um eine Oxidationsstufe und in der Farbe unterscheiden. Deren periodische Schwankungen lassen sich am parallel dazu oszillierenden Farbwechsel der Reaktionslösung verfolgen.

Laufen oszillierende Reaktionen zwischen Reaktionspartnern ab, die erst durch Diffusion miteinander in Kontakt kommen, so spricht man von Reaktions-Diffusions-Systemen. Dabei treten die beiden unterschiedlichen Farben des Redoxsystems in charakteristischen Mustern auf, den sogenannten Turing-Mustern.

I. R. Epstein und seinen Mitarbeitern gelang es jetzt, aufbauend auf einer photosensitiven BZ Reaktion eine chemische Speichereinheit zu entwickeln. Sie stellten eine Wasser-in-Öl Mikroemulsion eines BZ-Systems her, in dem eine Ruthenium-Bipyridinverbindung als Katalysator diente. Wie zu erwarten bildeten sich im Dunkeln zunächst die üblichen Turing-Muster. Intensive Beleuchtung führte zur Entstehung von Bromid, das die Reaktion hemmte, die Muster verschwanden. Wurde die Lichtstärke langsam erhöht, veränderten sich die Muster zunächst kaum bis sie bei einer kritischen Intensität (Isc) plötzlich verschwanden. Eine erneute Verminderung der Lichtstärke bewirkte, dass die Muster bei einer Intensität (Ic) unterhalb der kritischen Intensität spontan wieder auftraten. Im Intervall zwischen Ic und Isc befand sich das System in einem Fließgleichgewicht, in dem keine neuen Muster entstehen konnten und bereits vorhandene Muster sich nicht mehr veränderten. Wurde die Reaktionslösung durch eine Schablone hindurch belichtet, so entstand ein Abbild der Schablone auf der Oberfläche der Mikroemulsion: unbelichtete Stellen zeigten die Turing-Muster, belichtete nicht. Dieses Bild blieb im Fließgleichgewicht über mehr als eine Stunde erhalten.

Würde man die verbrauchten Reaktionspartner der BZ Reaktion kontinuierlich ergänzen, so ließe sich das Bild beliebig lange speichern. Über eine erneute Belichtung könnte man das alte Bild löschen und mit einem neuen Bild überschreiben. Damit sind nach Meinung der Autoren grundlegende Bedingungen zur Herstellung chemischer Speichermodule erfüllt.

Orignialveröffentlichung: I. R. Epstein et al.; "A Reaction-Diffusion Memory Device"; Angewandte Chemie 2006, 118, No. 19, 3159-3161.

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