Forskere beviser, at Turing-mønstre manifesterer sig på nanoskala

Hvilken forbindelse kunne der være mellem striberne på tropiske fisk og krystalvækst? Svaret er den måde, hvorpå orden opstår fra tilfældighed gennem Turing-mønstre, ifølge hvad et forskerhold ledet af Dr. Fuseya fra University of Electro-Communications, Japan, har for nylig fundet. Efter at have analyseret et mystisk stribet mønster, de observerede, mens de forsøgte at dyrke et monoatomisk lag af vismut, de viste, at Turing-mønstre også eksisterer på nanoskala.

En af de ting, den menneskelige hjerne naturligt udmærker sig ved, er at genkende alle mulige mønstre, såsom striber på zebraer, skaller af skildpadder, og endda strukturen af ​​krystaller. Takket være vores fremskridt inden for matematik og naturvidenskab, vi er ikke begrænset til kun at se mønstrene; vi kan også forstå, hvordan de let stammer fra ren tilfældighed.

Et bemærkelsesværdigt eksempel på forskellige naturlige mønstre med en enkelt matematisk forklaring er Turing-mønstre. Udtænkt i 1952 af den berømte matematiker Alan Turing, disse mønstre opstår som løsningerne til et sæt differentialligninger, der beskriver diffusionen og reaktionen af ​​kemikalier, der opfylder nogle få betingelser. Går langt ud over ren kemi, Turing viste, at sådanne ligninger forklarer, i en bemærkelsesværdig præcis grad, hvordan pletter, striber, og andre typer makroskopiske mønstre opstår spontant i naturen. Turing-mønstre spiller også en rolle i morfogenesen - den proces, hvorved levende organismer udvikler deres form. Overraskende nok, de underliggende mekanismer bag Turing-mønstre er bevaret på tværs af vidt forskellige skalaer, fra centimeter i dyrepigmentering til mikrometer i rent kemiske systemer. Betyder det, at Turing-mønstre kan findes på nanometerskalaen, i de enkelte atomers positioner?

Lektor Yuki Fuseya fra University of Electro-Communications, Japan, har for nylig fundet ud af, at svaret er et rungende ja. En specialist i bismuth (Bi) og dets anvendelser i kondenseret stoffysik, Dr. Fuseya havde aldrig forestillet sig at arbejde med Turing-mønstre, som for det meste studeres i matematisk biologi. Imidlertid, da han lagde mærke til nogle mystiske periodiske striber, han havde set i bi monoatomiske lag, Dr. Fuseya fik den vilde idé, at de faktisk kunne være Turing-mønstre. Og efter tre års forsøg og fejl, han fandt endelig succes.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , Dr. Fuseya ledede et forskerhold (som omfattede Hiroyasu Katsuno fra Hokkaido Universitet, Japan, Kamran Behnia fra PSL Research University, Frankrig, og Aharon Kapitulnik, Stanford University, USA), der fandt konkrete beviser for, at Turing-mønstre kan forekomme i meget mindre skalaer end tidligere antaget.

Fundet af de mystiske Bi-striber var serendipitalt; forskerne oprindeligt havde til hensigt at producere et Bi-monolag på et niobiumdiselenid-substrat til at studere todimensionelle fysiske fænomener. Det, de så, var et mønster af striber med en periode på fem atomer, eller omkring 1,7 nm, med Y-formede kryds. Disse striber havde en slående lighed med dem, der findes hos nogle arter af tropiske fisk, som naturligt opstår som et af Turing-mønstrene. Inspireret af denne observation, Dr. Fuseyas team studerede Bi-monolagsproblemet mere detaljeret fra et teoretisk synspunkt.

Holdet udviklede en matematisk model, der forklarer de underliggende fysiske kræfter på en måde, der er i overensstemmelse med de dynamiske diffusions-reaktionsligninger, der producerer Turing-mønstre. I denne model, interaktionerne mellem Bi-Bi-par, Bi og selen (Se) par, og bindingsvinkler i Bi-Bi-Bi-tripletter blev overvejet. Forskerne udførte numeriske simuleringer og verificerede, at de genererede mønstre nøjagtigt lignede de tidligere eksperimentelle resultater.

Disse hidtil usete resultater baner vejen mod en ny forskningsretning inden for nanoskalafysik, der kan overveje, og endda udnytte, Turing mønstre. "Based on our findings, we may remove undesirable patterns and make perfectly flat thin films, which are crucial for nanoelectronics. På den anden side, we could use Turing patterns as building blocks for new devices to study unexplored areas of physics, " says Dr. Fuseya. Another attractive aspect of Turing patterns is that they are not static, despite their appearance. I stedet, they are in a state of dynamic equilibrium, which means they can "repair" themselves if they are damaged. "We found that Bi, an inorganic solid, is capable of wound healing just like living creatures. This property could lead to new techniques for producing nanoscale devices by combining diffusion and reaction phenomena, " says Dr. Fuseya.