Dynamic phenomena in tristable reaction-diffusion models

  • The presented study was motivated by the dynamic phenomena observed in basic catalytic surface reactions, especially by bi- and tristability, and the interactions between these stable states. In this regard, three reaction-diffusion models were developed and examined using bifurcation theory and numerical simulations. A first model was designed to extend the bistable CO oxidation on Ir(111) to include hydrogen and its oxidation. The differential equation system was analyzed within the framework of bifurcation theory, revealing three branches of stable solutions. One state is characterized by high formation rates (upper rate state, UR), while the other two branches display low formation rates (lower rate (LR) \& very low rate (VLR) states). The overlapping branches form the shape of a `swallowtail', the curve of saddle-node bifurcations forming two cusps. Increasing the temperature leads to a subsequent unfolding and hence decreases the system complexity. A series of numerical simulations representing possible experiments was conducted to illustrate the experimental accessibility (or the lack) of said states. Relaxation experiments show partially long decay times. Quasistatic scanning illustrates the existence of all three states within the tristable regime and their respective conversion once crossing a fold. A first attempt regarding the state dominance in reaction-diffusion fronts was done. While UR seems to dominate in 1D, a 2D time-evolution shows that LR invades the interphase between UR and VLR. Subsequently, a generic monospecies mock model was used for the comprehensive study of reaction-diffusion fronts. A quintic polynomial as reaction term was chosen, derived by the sixth-order potential associated with the `butterfly bifurcation'. This ensures up to three stable solutions($u_{0}$,$u_{1}$,$u_{2}$), depending on the four-dimensional parameter space. The model was explored extensively, identifying regions with similar behaviors. A term for the front velocity connecting two stable states was derived, depending only on the relative difference of the states' potential wells. Equipotential curves were found, where the front velocity vanishes of a given front. Numerical simulations on a two-dimensional, finite disk using a triangulated mesh supported these findings. Additionally, the front-splitting instability was observed for certain parameters. The front solution $u_{02}$ becomes unstable and divides into $u_{01}$ and $u_{12}$, exhibiting different front velocities. A good estimate for the limit of the front splitting region was given and tested using time evolutions. Finally, the established mock model was modified from continuous to discrete space, utilizing a simple domain in 1D and three different lattices in 2D (square, hexagonal, triangular). For low diffusivities or large distances between coupling nodes, fronts can become pinned, if the parameters are within range of the equipotential lines. This phenomenon is known as propagation failure and its extent in parameter space was explored in 1D. In 2D, an estimate was given for remarkable front orientations respective to the lattice using a pseudo-2D approximation. Near the pinning region, front velocities differ significantly from the continuous expectation as the shape of the curve potential becomes significant. Factors that decide the size and shape of the pinning regions are the coupling strength, the lattice, the front orientation relative to the lattice, and the front itself. The bifurcation diagram shows a snaking curve in the pinning region, each alternating branch representing a stable or unstable frozen front solution. Numerical simulations supported the observations concerning propagation failure and lattice dependence. Furthermore, the influence of front orientation on the front velocity was explored in greater detail, showing that fronts with certain lattice-dependent orientations are more or less prone to propagation failure. This leads to the possibility of pattern formation, reflecting the lattice geometry. An attempt to quantify the front movement depending on angular front orientation has shown reasonable results and good agreement with the pseudo-2D approach.
  • Motiviert wurde die vorliegende Arbeit durch die dynamischen Phänomene, die bei grundlegenden katalytischen Oberflächenreaktionen beobachtet werden, insbesondere durch Bi- und Tristabilität und die Wechselwirkungen zwischen diesen stabilen Zuständen. In diesem Zusammenhang wurden drei Reaktions-Diffusions-Modelle entwickelt und auf Bifurkationen analytisch und mittels numerischer Simulationen untersucht. Das erste Modell wurde entwickelt, um die bistabile CO-Oxidation auf Ir(111) um Wasserstoff und dessen Oxidationsreaktionen zu erweitern. Das Differentialgleichungssystem wurde im Rahmen der Bifurkationstheorie analysiert, wobei drei Zweige stabiler Lösungen gefunden wurden. Einer der Zustände ist durch hohe Bildungsraten gekennzeichnet (upper rate, UR), während die anderen beiden Zweige niedrige Bildungsraten aufweisen (lower rate (LR) \& very low rate (VLR)). Die Kurve der Sattel-Knoten-Bifurkationen bildet zwei Spitzen aus, wodurch die sich überschneidenden Zustände die Form eines Schwalbenschwanzes bilden. Eine Temperaturerhöhung führt zur Entfaltung und damit zu einer Komplexitätserniedrigung des Systems. Um die experimentelle (Un-)Zugänglichkeit dieser Zustände zu veranschaulichen wurde eine Reihe von numerischen Simulationen durchgeführt, die mögliche Experimente widerspiegeln. Relaxationsexperimente zeigen teilweise lange Konvergenzzeiten. Quasi-statisches Scannen des Versuchsparameters zeigt die Existenz aller drei Zustände innerhalb des tristabilen Region und ihre jeweilige Umwandlung beim Verlassen desselben. Ein erster Versuch bezüglich Reaktions-Diffusions-Fronten zwischen den stabilen Zuständen wurde durchgeführt. In 1D dominiert UR, während in 2D die Interphase zwischen UR und VLR durch den LR Zustand durchdrungen wird. Anschließend wurde ein generisches `Parodie'-Monospezies-Modell für die umfassende Untersuchung von Reaktions-Diffusions-Fronten verwendet. Als Reaktionsterm wurde ein Polynom fünften Grades gewählt. Dies resultiert aus einem polynomischen Potential sechster Ordnung, das mit der ``Schmetterlingsbifurkation'' verbunden ist. Dies garantiert abhängig von dem vierdimensionalen Parameterraum bis zu drei stabile Lösungen ($u_{0}$,$u_{1}$,$u_{2}$). Das Modell wurde eingehend untersucht, wobei Regionen mit ähnlichem Verhalten identifiziert wurden. Es wurde ein Term für die Frontgeschwindigkeit zwischen zwei stabilen Zuständen abgeleitet, der eine Abhängigkeit von der relativen Potentialdifferenz der beiden Zustände zeigt. Es wurden Äquipotentialkurven gefunden, bei denen die Geschwindigkeit der zugehörigen Front verschwindet. Numerische Simulationen auf einer zweidimensionalen, endlichen Scheibe unterstützten diese Ergebnisse. Außerdem wurde die Front-Splitting-Instabilität beobachtet, bei der die Frontlösung $u_{02}$ instabil wird und sich in $u_{01}$ und $u_{12}$ mit je unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufteilt. Eine gute Schätzung zu den Grenzen der Front-Splitting-Region wurde gegeben und mit Hilfe von numerischen Zeitentwicklungen überprüft. Schließlich wurde das etablierte kontinuierliche Modell räumlich diskretisiert, wobei eine einfache Domäne in 1D und drei verschiedene Gitter in 2D (quadratisch, hexagonal, dreieckig) verwendet wurden. Bei niedrigen Diffusivitäten oder großen Abständen zwischen den gekoppelten Knoten können die Fronten `einfrieren', falls die Parameter in der Nähe einer Äquipotentiallinie liegen. Dieses Phänomen ist als Propagationsversagen (PF) bekannt und sein Ausmaß im Parameterraum (Pinning Region) wurde in 1D untersucht. In 2D wurde zunächst eine Schätzung für die Frontausbreitung in ausgezeichnete Gitterrichtungen mittels einer Pseudo-2D-Näherung vorgenommen. Nahe der Pinning-Region weichen die Frontgeschwindigkeiten erheblich von der kontinuierlichen Erwartung ab, da die exakte Form des Potentials signifikant wird. Größe und Form der Pinning-Regionen wird von der Kopplungsstärke, dem Gitter, die Frontausrichtung zum Gitter und die Frontlösung selbst entschieden. Das Bifurkationsdiagramm zeigt eine schlängelnde Kurve innerhalb der Pinning-Region, wobei jeder abwechselnde Zweig aus stabilen bzw. instabilen, eingefrorenen Fronten besteht. Numerische Simulationen bestätigten die Beobachtungen bezüglich des PF und der Gitterabhängigkeit. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Frontorientierung auf die Geschwindigkeit genauer untersucht. Es wurde gezeigt, dass Fronten mit ausgezeichneter Orientierung zum Gitter mehr oder weniger anfällig für PF sind. Hieraus resultiert die Möglichkeit zur Stabilisierung von metastabilen Mustern, welche die Gittergeometrie widerspiegelt. Die Quantifizierung der winkelabhängigen Frontausbreitung zeigt plausible Ergebnisse mit einer guten Übereinstimmung zum Pseudo-2D-Ansatz.

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Metadaten
Author:Kevin Rohe
URN:urn:nbn:de:kola-23407
Referee:Christian Fischer, Jaime Cisternas
Advisor:Christian Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2022/07/27
Date of publication:2022/08/09
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2022/07/21
Release Date:2022/08/09
Number of pages:x, 144
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 541 Physikalische Chemie
BKL-Classification:33 Physik / 33.28 Transportvorgänge, irreversible Thermodynamik
35 Chemie / 35.13 Reaktionskinetik
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