科学家证明关于斑点、条纹和其他类型的宏观图案的出现的图灵微分方程与Bi 单原子层中周期性条纹出现规律吻合

文石家庄陀螺科技

热带鱼身上的条纹与晶体生长之间可能存在什么联系？根据日本电子通信大学 Fuseya 博士领导的研究小组最近发现，条纹分布的规律遵从图灵条纹随机性规律。在分析了一个个神秘的条纹图案后，他们在观察生长铋的单原子层后发现，在纳米尺度上也存在图灵图案。

在铋的单原子层中发现的条纹图案与在某些热带鱼的色素沉着中发现的条纹图案相同。两者都是图灵模式的例子，顺序是由遵循一组动态方程的随机性自然产生的。

人类大脑天生擅长的事情之一就是识别各种图案，例如斑马上的条纹、龟壳，甚至晶体的结构。由于我们在数学和自然科学方面的进步，我们不仅限于看到模式；我们也可以理解它们是如何很容易地源于纯粹的随机性。

具有单一数学解释的不同自然模式的一个显着例子是图灵模式。1952 年，著名数学家艾伦·图灵 (Alan Turing) 构思了这些模式，这些模式是作为一组微分方程的解而出现的，这些微分方程描述了满足一些条件的化学物质的扩散和反应。远远超出了纯化学，图灵证明了这样的方程在非常精确的程度上解释了斑点、条纹和其他类型的宏观图案是如何在自然界中自发出现的。图灵模式也在形态发生中发挥作用 - 生物体发展其形状的过程。令人惊讶的是，图灵模式背后的潜在机制保留在截然不同的尺度上，从动物色素沉着的厘米到纯化学系统中的微米。

日本电子通信大学的 Yuki Fuseya 副教授最近发现答案是肯定的。作为铋 (Bi) 及其在凝聚态物理中应用的专家，Fuseya 博士从未想过要使用图灵模式，这些模式主要在数学生物学中进行研究。然而，在注意到他在 Bi 单原子层中看到的一些神秘的周期性条纹时，Fuseya 博士疯狂地想到它们实际上可能是图灵模式。经过三年的反复试验，他终于找到了成功。

在Nature Physics 上发表的一项研究中，Fuseya 博士领导的研究小组（包括日本北海道大学的 Hiroyasu Katsuno、法国 PSL 研究大学的 Kamran Behnia 和美国斯坦福大学的 Aharon Kapitulnik）发现了图灵的具体证据模式可以以比以前想象的小得多的尺度出现。

神秘的铋条纹的发现是偶然的。研究人员最初打算在二硒化铌基底上生产一个 Bi 单层，用于研究二维物理现象。他们看到的是一种条纹图案，其周期为五个原子，或约 1.7 nm，带有 Y 形结。这些条纹与某些热带鱼物种中发现的条纹有着惊人的相似之处，这些热带鱼自然是作为图灵图案之一出现的。受这一观察的启发，Fuseya 博士的团队从理论角度更详细地研究了 Bi 单层问题。

该团队开发了一个数学模型，以与产生图灵模式的动态扩散反应方程一致的方式解释潜在的物理力。在该模型中，考虑了 Bi-Bi 对、Bi 和硒 (Se) 对之间的相互作用以及 Bi-Bi-Bi 三重态中的键角。研究人员进行了数值模拟，并验证了生成的图案与之前的实验结果准确相似。

这些前所未有的发现为纳米物理学的新研究方向铺平了道路，该方向可以考虑甚至利用图灵模式。“根据我们的发现，我们可以去除不需要的图案并制造出完美平坦的薄膜，这对纳米电子学至关重要。另一方面，我们可以使用图灵图案作为新设备的构建模块来研究未探索的物理领域，”Fuseya 博士说。图灵模式的另一个吸引人的方面是它们不是静态的，尽管它们看起来很像。相反，它们处于动态平衡状态，这意味着如果它们受到损坏，它们可以“修复”自己。“我们发现铋是一种无机固体，能够像生物一样愈合伤口。

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