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新2手机管理端网址(www.9cx.net):在纳米尺度,也发现了这种神奇的图案!

admin2021-07-1951

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1952年,著名的英国盘算机科学家阿兰・图灵(Alan Turing)提出了一种新的图案形成理论。他以为,自然界中泛起的斑马条纹、热带鱼条纹、乌龟贝壳上的花纹、向日葵的螺纹等图案,是由两种差其余物质所致导致的,一种是抑制剂,另一种是激活剂

图灵将这些物质称为形态发生素,它们有着差其余扩散速率,其中抑制剂的作用是抑制图案的天生,而激活剂则能促进图案的天生。由这些形态发生素的反映扩散而自觉组织形成的花纹、条纹、环纹、螺旋或是黑点等结构,被称为图灵斑图

图灵斑图在动植物身上非经常见。在30多年前,科学家首次报道了在人工的化学系统中泛起的图灵斑图,而且这些图案在通常情形下都大到对人类肉眼可见。

现在,在一项新的研究中,当一个国际研究团队试图在一种晶体上生长(Bi)单原子层时,在原子级尺度上观察到了图灵斑图,这是有史以来泛起的最小的图灵斑图。研究职员将这一发现揭晓在了近期的《自然-物理》杂志上。

日本电气通讯大学的副教授Yuki Fuseya是这项研究的第一作者,他是研究铋及其在凝聚态物理中的应用的专家。在此之前,他从来没有想过他的研究会与图灵斑图发生什么联系,由于图灵模式主要是在数学生物领域中的研究课题。

然而,在有时地注重到铋单原子层中泛起的一些神秘的周期性条纹后,Fuseya发生了一个勇敢的想法――它们会不会是图灵斑图?他不禁想知道,在云云细小的纳米级尺度上,也能存在图灵斑图吗?

经由三年的实验之后,他与团队乐成地找到了详细的证据,解释图灵斑图真的可以泛起在比之前以为的小得多的尺度上。

这是一项始于有时的发现。一最先,研究职员想要举行一些二维物理征象的研究,他们设计在二硒化铌(NbSe )晶体上制造铋单原子层。效果正如前文所说到的,他们看到了一个周期性的条纹图案,宽约2纳米

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研究职员注重到,这些条纹与在一些热带鱼身上的条纹有着惊人的相似之处,而热带鱼身上的条纹正是图灵斑图的典型示例之一。因此,虽然他们考察到的条纹比之前已知的所有图灵斑图都要小得多,但Fuseya和他的团队照样从中受到启示,决议从理论的角度对铋单原子层举行更详细的研究。

他们开发了一个数学模子来剖析可能导致了这些图案形成的力学,这一模子与发生图灵斑图的动态扩散反映方程是一致的。在这个模子中,研究职员思量了铋-铋之间的相互作用,铋-硒(Se)之间的相互作用,以及三个铋原子之间的键角。在对铋单原子层的生上举行数值模拟后,他们发现盘算机模拟所天生的图案与在类似条件下通过实验考察到的图案异常一致

效果清晰地解释,在特定的条件下,即即是在纳米级尺度上也同样可以形成图灵斑图。这是令人惊讶的效果。鉴于自然界的图灵斑图需要依赖两种形态发生素的差异扩散速率;而相比之下,在新的研究中只有一种化学因素――铋原子介入整个历程。研究职员示意,铋原子的垂直位移和水平位移是差其余,可划分作为激活剂和抑制剂

研究职员还指出,他们在实验中考察到――铋作为一种无机固体,居然显示出了可以像生物“愈合伤口”一样的行为。这就凸显了图灵图斑的另一个神奇的特征,即只管它们外面看起来是静态的,但实则是处于一种动态的平衡状态,当它们遭到损坏时可以举行“自我修复”。

这些亘古未有的发现给物理学家带来了新的思绪,它意味着在纳米尺度的物理学中,我们或允许以将图灵图斑作为一个新的研究偏向。好比在新研究中,研究职员发现他们可以去掉那些不想要的图案,制作出完全平展的薄膜,这对纳米电子学至关主要,有着伟大的应用意义。

从理论的角度上看,这样的效果也令人欣喜。它意味着在种种差其余数目级尺度上,秩序可以以完全相同的方式从随机性中发生。人类大脑天生善于识别种种图案,无论是动物的花纹,照样晶体的结构。幸好我们拥有在数学和自然科学上的提高,让我们可以不仅仅局限于看到外面的图案,而且还可以明白它们是若何从纯粹的随机中降生的。

#创作团队:

编译:小雨

#参考泉源:

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

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

#图片泉源

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