27/10/2014

Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Ein Navi aus dem Chemielabor

Empa-Wissenschaftler haben zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Ungarn, Schottland und Japan einen chemischen «Prozessor» entwickelt, der zuverlässig den kürzesten Weg durch ein Labyrinth weist. Da diese Methode prinzipiell schneller ist als ein Navi, könnte sie künftig etwa in der Verkehrsplanung und in der Logistik von Nutzen sein, wie sie im Fachjournal «Langmuir» berichten.

Um den richtigen Weg zu finden, braucht man nicht immer GPS, Karte oder Kompass. Was heutigen Navigationscomputern eine enorme Rechenleistung abverlangt, lässt sich auch erreichen, indem man sich die Gesetze der physikalischen Chemie zu Nutze macht und so genanntes Chemical Computing betreibt. Der Trick funktioniert folgendermassen: Am Ausgang eines mit alkalischer Flüssigkeit gefüllten Labyrinths – also am Zielort – wird ein mit Säure versetztes Gel angebracht. Innert kurzer Zeit verteilt sich die Säure im noch alkalischen Irrgarten, der Grossteil davon bleibt allerdings zusammen mit dem Gel am Ausgang. Gibt man nun an das andere Ende des Labyrinths, am Eingang, eine mit Farbstoffen versehene Lauge, sucht sich diese automatisch den Weg zum Ausgang – den Ort mit dem höchsten Säuregehalt.

Ein nützlicher Effekt
Dieser Vorgang ist ein Beispiel für den Marangoni-Effekt, der eintritt, weil die im Labyrinth verteilte Säure mit der neu hinzugegebenen, gefärbten Lauge reagiert. Die Lauge wird vom Gemisch aus alkalischer Flüssigkeit und der Säure im Labyrinth abgestossen und zur Säurequelle am Ausgang geschoben. Dabei hinterlässt sie durch ihre Färbung eine deutliche Spur. Die gefärbte Lauge wählt dabei vornehmlich den kürzesten Weg. Alternative Wege werden aber auch beschritten – nur mit deutlich geringerer Wahrscheinlichkeit und damit schwächerer Farbspur. «Der Vorteil dieses chemischen Rechners gegenüber seinem elektronischen Pendant ist, dass er alle möglichen Wegvarianten nahezu parallel findet, während ein Computer eine Möglichkeit nach der anderen sukzessive durchrechnet, was unter dem Strich länger dauert», erklärt Rita Tóth von der Abteilung «Hochleistungskeramik». Zwar bestehen bereits Methoden, solche Wege mittels Flüssigkeiten ausfindig zu machen. Das neue Verfahren sei allerdings das erste, das rein chemisch funktioniert und bei dem eine Farbspur den Weg direkt anzeigt.

Eine Pizzeria in Budapest
Als nächsten Schritt will sich das Forschungsteam an grössere und komplexere Labyrinthe wagen – das erste Versuchsobjekt war nur gut ein Quadratzentimeter gross. Einen Test «in der Realität» hat das Verfahren aber bereits bestanden: In einem etwas grösseren Labyrinth nach dem Vorbild eines Budapester Quartiers hat die farbige Lauge ihr Ziel, eine Pizzeria, auf dem kürzesten Weg ausfindig gemacht. So könnte das System später auch einmal bei der Verkehrsplanung Verwendung finden. In Hirnforschung, Psychologie, Netzwerkforschung und Robotik sieht Projektleiterin Tóth weitere Anwendungsgebiete. Die Ergebnisse des Teams stossen jedenfalls bereits auf grosses Interesse; die Arbeit ist eine der meistgelesenen im Fachmagazin «Langmuir».

Literatur
«Maze Solving Using Fatty Acid Chemistry», K Suzuno, D Ueyama, M Branicki, R Tóth, A Braun, I Lagzi, Langmuir, DOI: 10.1021/la5018467

Quelle: