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在納米尺度,也發現瞭這種神奇的圖案!

2021-07-19 由【】發表於 科技

1952年,著名的英國計算機科學傢阿蘭·圖靈(Alan Turing)提出瞭一種新的圖案形成理論。他認為,自然界中出現的斑馬條紋、熱帶魚條紋、烏龜貝殼上的花紋、向日葵的螺紋等圖案,是由兩種不同的物質所致導致的,一種是抑制劑,另一種是激活劑。

圖靈將這些物質稱為形態發生素,它們有著不同的擴散速率,其中抑制劑的作用是抑制圖案的生成,而激活劑則能促進圖案的生成。由這些形態發生素的反應擴散而自發組織形成的斑紋、條紋、環紋、螺旋或是斑點等結構,被稱為圖靈斑圖。

圖靈斑圖在動植物身上非常常見。在30多年前,科學傢首次報道瞭在人工的化學系統中出現的圖靈斑圖,而且這些圖案在通常情況下都大到對人類肉眼可見。

現在,在一項新的研究中,當一個國際研究團隊試圖在一種晶體上生長鉍(Bi)單原子層時,在原子級尺度上觀測到瞭圖靈斑圖,這是有史以來出現的最小的圖靈斑圖。研究人員將這一發現發表在瞭近期的《自然-物理》雜志上。

日本電氣通信大學的副教授Yuki Fuseya是這項研究的第一作者,他是研究鉍及其在凝聚態物理中的應用的專傢。在此之前,他從來沒有想過他的研究會與圖靈斑圖產生什麼聯系,因為圖靈模式主要是在數學生物領域中的研究課題。

然而,在偶然地註意到鉍單原子層中出現的一些神秘的周期性條紋後,Fuseya產生瞭一個大膽的想法——它們會不會是圖靈斑圖?他不禁想知道,在如此微小的納米級尺度上,也能存在圖靈斑圖嗎?

經過三年的嘗試之後,他與團隊成功地找到瞭詳細的證據,表明圖靈斑圖真的可以出現在比之前認為的小得多的尺度上。

這是一項始於偶然的發現。一開始,研究人員想要進行一些二維物理現象的研究,他們打算在二硒化鈮(NbSe )晶體上制造鉍單原子層。結果正如前文所說到的,他們看到瞭一個周期性的條紋圖案,寬約2納米。

研究人員註意到,這些條紋與在一些熱帶魚身上的條紋有著驚人的相似之處,而熱帶魚身上的條紋正是圖靈斑圖的典型示例之一。因此,雖然他們觀察到的條紋比之前已知的所有圖靈斑圖都要小得多,但Fuseya和他的團隊還是從中受到啟示,決定從理論的角度對鉍單原子層進行更詳細的研究。

他們開發瞭一個數學模型來分析可能導致瞭這些圖案形成的力學,這一模型與產生圖靈斑圖的動態擴散反應方程是一致的。在這個模型中,研究人員考慮瞭鉍-鉍之間的相互作用,鉍-硒(Se)之間的相互作用,以及三個鉍原子之間的鍵角。在對鉍單原子層的生長進行數值模擬後,他們發現計算機模擬所生成的圖案與在類似條件下通過實驗觀察到的圖案非常一致。

結果清晰地表明,在特定的條件下,即便是在納米級尺度上也同樣可以形成圖靈斑圖。這是令人驚訝的結果。鑒於自然界的圖靈斑圖需要依賴兩種形態發生素的不同擴散速率;而相比之下,在新的研究中隻有一種化學成分——鉍原子參與整個過程。研究人員表示,鉍原子的垂直位移和水平位移是不同的,可分別作為激活劑和抑制劑。

研究人員還指出,他們在實驗中觀察到——鉍作為一種無機固體,居然表現出瞭可以像生物“愈合傷口”一樣的行為。這就凸顯瞭圖靈圖斑的另一個神奇的特征,即盡管它們表面看起來是靜態的,但實則是處於一種動態的平衡狀態,當它們遭到破壞時可以進行“自我修復”。

這些前所未有的發現給物理學傢帶來瞭新的思路,它意味著在納米尺度的物理學中,我們或許可以將圖靈圖斑作為一個新的研究方向。比如在新研究中,研究人員發現他們可以去掉那些不想要的圖案,制作出完全平坦的薄膜,這對納米電子學至關重要,有著巨大的應用意義。

從理論的角度上看,這樣的結果也令人欣喜。它意味著在各種不同的數量級尺度上,秩序可以以完全相同的方式從隨機性中產生。人類大腦天生擅長識別各種圖案,無論是動物的花紋,還是晶體的結構。幸好我們擁有在數學和自然科學上的進步,讓我們可以不僅僅局限於看到表面的圖案,而且還可以理解它們是如何從純粹的隨機中誕生的。

#創作團隊:

編譯:小雨

#參考來源:

https://www.uec.ac.jp/eng/news/announcement/2021/20210709_3528.html

https://www.chemistryworld.com/news/tiniest-turing-patterns-found-in-atomically-thin-bismuth/4013979.article

#圖片來源:

封面來源:Yuki Fuseya from University of Electro-Communications