title: Lasergesteuerte Selbstorganisation und Reaktionskontrolle in komplexen Systemen
title: Laser-Directed Self-Organization and Reaction Control in Complex Systems
Creators: name: Reinhardt, Hendrik Martin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: multifunctional materials
multifunktionale Materialien
Strukturbildung
LIPSS , PLID
Bionik
Reaktionsführung
self-organization
Naturwissenschaften
Musterbildung
Funktionswerkstoff
Selbstorganisation
pattern formation
Edelstahl , Laser
Nanotechnologie , Werkstof

description: 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.
description: 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 processes
      was identified to be the key aspect that enables for the
      synthesis of functional materials starting from complex
      systems. When self-organization is abruptly stopped after a
      few nanoseconds, this creates materials present in a
      non-equilibrium state, which are known to exhibit special
      properties. A prominent example is the distinctively
      different behavior of gold nanoparticles compared to bulk
      gold. Repeated laser stimulation was demonstrated to be a
      powerful method that enables selective adjustments of
      material properties emergent in the course of self-organized
      pattern formation in complex systems. This includes a broad
      spectrum of optical, electrical, magnetic and catalytic
      properties, which are not found in the starting materials
      prior to laser modification. The capability of lasers to
      trigger self-organization processes with spatial control was
      identified to be an interesting feature because it bears the
      potential to create materials with advanced functionality. In
      particular, the utilization of a phenomenon called
      laser-induced periodic surface structures (LIPSS) proved to
      be very efficient. LIPSS transformed the surface of stainless
      steel into hierarchical structures thus equipping this
      everyday material with a multifunctional surface. Considering
      the simplicity of the generation process this demonstrates
      the viability of nature’s low-effort-high-outcome-principle
      of order formation in complex systems. In addition to that,
      the application breath of laser-stimulated pattern formation
      was successfully expanded to temperature sensitive materials
      by including photochemistry into the concept. The large
      variety of reaction types accessible via photochemistry opens
      an even wider field of potential applications. In conclusion,
      it can be stated that the concept of nature to trigger
      selective reorganizations and pattern formation in complex
      systems can be imitated in its principles. The introduced
      concept of laser-directed self-organization and reaction
      control in complex systems prospects a large application
      potential. Presented insights into laser-stimulated reaction
      pathways and pattern formations processes provide a valuable
      basis for future studies in this field. Overall, the major
      challenge that must be met on the way to beneficial
      applications is the need for purposeful design of materials,
      which requires a thorough understanding of the fundamental
      principles behind self-organization.