Laser-Directed Self-Organization and Reaction Control in Complex Systems

Pulsed lasers proved to be advantageous tools for the stimulation of pattern formation in complex systems. Their capability to support thermodynamic, kinetic and spatial control facilitates the direction of self-organization processes into selective channels. The short lifetime of laser-stimulated p...

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Main Author: Reinhardt, Hendrik Martin
Contributors: Hampp, Norbert (Prof. Dr) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2013
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Der Reichtum unseres Planeten an Planzen und Tieren bzw. geordneten Strukturen im Allgemeinen ist überwältigend. Wir nehmen dies als gegeben hin, jedoch stellen wir nur selten die Frage woraus diese Fülle an geordneten Strukturen resultiert. Schon die Fliege an der Wand ist derart komplex, dass sie mit keinem heute zur Verfügung stehenden Verfahren nachgebaut werden könnte. Menschliche Technologie ist geprägt vom Paradigma werkzeugbasierender Formungsprozesse, die üblicherweise in Fabriken und Werkstätten ausgeführt werden. In der Natur sind solche zentralisierten Produktionsapparate allerdings nicht zu finden, was die Frage aufwirft, worauf das Konzept der Natur zur Erschaffung komplexer Strukturen überhaupt basiert. Nach heutigem Kenntisstand stellen Musterbildungsprozesse wie Selbstassemblierung und Selbstorganisation die Grundlage dieser geheimnisvollen Schöpfungskraft dar. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung selbstorganisierender Prozesse, da diese, im Gegensatz zur Selbstassemblierung, derzeit kaum verstanden sind. Bisherige Untersuchungen deuten zudem darauf hin, dass Selbstorganisation die fundamentale Basis natürlicher Musterbildungsprozesse darstellt. Die Forschung in diesem Feld ist nicht nur von Neugier getrieben, sondern vor allem der Notwendigkeit geschuldet nachhaltige und umweltfreundliche Strategien zur Güterproduktion zu entwickeln. Im Hinblick auf die rapide fortschreitende Ausbeutung natürlicher Rohstoff- und Energierecourcen besteht dringender Handlungsbedarf auf diesem Gebiet. Momentan fehlt es allerdings an technologischen Alternativen zu etablierten Verfahren. Von der Natur zu lernen erscheint naheliegend, jedoch stößt dieser Versuch schon im Ansatz auf tiefgreifende Probleme. Das Prinzip der Natur durch gezielte Stimulation komplexer Systeme hochgeordnete Strukturen zu generieren ist sowohl analytisch als auch theoretisch kaum erfassbar. Trotz derartiger Widrigkeiten gelang es dieses elegante Konzept der Natur nachzuahmen und einige seiner fundamentalen Mechanismen aufzudecken. Studien an Edelstahl zeigen, dass sich in diesem komplexen Modellsystem mittels gezielter Stimulation hochgeordnete Strukturen erzeugen lassen. Die daraus hervorgehende Multifunktionalisierung dieses Alltagsmaterials demonstriert das hohe Anwendungspotential der Selbstorganisation auf eindrucksvolle Weise. Laserstimulierte Musterbildung an Edelstahl ermöglicht die simultane Einstellung optischer, elektrischer, magnetischer und katalytischer Oberflächeneigenschaften mit bisher ungekannter Einfachkeit und Effizienz. Systematische Analysen der zugrundeliegenden Mechanismen zeigen zudem, dass Musterbildungsprozesse in komplexen Systemen vorhersagbar sind. Diese Entdeckung legt eine wichtige Grundlage für die technische Implementierung, da gewonnene Erkentnisse für die Vorhersage von Selbstorganisationsprozessen in anderen Reaktionssystemen herangezogen werden können. Damit wurde erstmalig gezeigt, dass das Prinzip der Natur durch stimulierte Selbstorganisation Ordnung und Muster in komplexen Systemen zu erzeugen adaptierbar ist und hohes technologisches Anwendungspotential birgt.