Hoewel het fascinerend is dat levende wezens verschillende patronen op hun huid ontwikkelen, wat misschien nog mysterieuzer is, is hun opvallende gelijkenis met de huid van bevroren vloeibare metalen.

Patroonvorming is een klassiek voorbeeld van een van de wonderen van de natuur waar wetenschappers al eeuwen over nadenken. Rond 1952, de beroemde wiskundige Alan Turing (vader van de moderne computers) kwam met een conceptueel model om het patroonvormingsproces van een systeem met twee stoffen te verklaren. Dergelijke patronen worden daarna ook wel Turingpatronen genoemd.

Patroonvorming wordt ook vaak toegepast door door de mens gemaakte systemen en dit geldt met name op het gebied van metallurgie. Het heeft zelfs een subveld genaamd "metallografie, " die gespecialiseerd is in de studie van microschaalpatronen en samenstellingen van metalen en legeringen. Als je een meercomponentenlegering uit elkaar haalt en de dwarsdoorsneden bekijkt, de kans is groot dat u afwisselende strepen of uitgelijnde plekken van verschillende metalen onderdelen ziet, net als een microscopische versie van de patronen op de huid van een zebra of luipaard. Echter, ondanks de oude kennis over de kern van vloeibare metaallegeringen en hun bulkstollingspatronen, hun fenomeen van oppervlaktepatroonvorming is tot nu toe lang over het hoofd gezien.

In een werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , onderzoekers van de Universiteit van New South Wales (UNSW) Sydney en hun medewerkers van de Universiteit van Auckland (het MacDiarmid Institute), RMIT, en UCLA ontdekte dat verschillende soorten patronen voorkomen aan het oppervlak van gestolde metaallegeringen. Het team gebruikte tweecomponenten metaalmengsels, zoals legeringen op galliumbasis die kleine hoeveelheden bismut bevatten. Deze legeringen smelten gemakkelijk in de hand en maken zo experimentele observatie en controle gemakkelijk.

"We konden het stollingsproces van het oppervlak observeren onder een gewone optische microscoop en ik was verbaasd toen ik voor het eerst een stollingsfront zag op het vloeibare metalen oppervlak dat vaste patronen erachter creëerde, " zei Dr. Jianbo Tang, de belangrijkste auteur van het werk. "Je kunt je het tafereel voorstellen van een gletsjer die over het oceaanoppervlak beweegt, maar alles wat we onder onze microscoop zien, is van metaal en microscopisch klein', voegde Dr. Tang eraan toe.

Om de fijnere details van de metalen gletsjer te zien, elektronenmicroscopie werd gebruikt, en de onderzoekers observeerden een caleidoscoop van zeer geordende patronen, waaronder afwisselende strepen, gebogen vezels, puntarrays, en enkele exotische streep-punthybriden. Verrassend genoeg, het team vond dat wanneer deze patronen worden gevormd, de abundantie van het element bismut met lage concentratie in het oppervlaktegebied was sterk toegenomen. Een dergelijke oppervlakteverrijking die in deze studie wordt gevonden, tart de conventionele metallurgische inzichten.

De onderzoekers brachten de magie achter dit nieuw waargenomen stollingsfenomeen in verband met de unieke oppervlaktestructuren van vloeibare metalen en gebruikten ook supercomputers om het proces te simuleren. In hun computersimulaties de kleine bismutatomen, schijnbaar willekeurig rondbewegend in een zee van galliumatomen, waargenomen te accumuleren op het oppervlak van de legering.

"Dit eerder genegeerde fenomeen van oppervlaktestolling verbetert ons fundamentele begrip van vloeibare metaallegeringen en hun faseovergangsprocessen. Bovendien, dit autonome oppervlakteproces kan worden gebruikt als een patroongereedschap voor het ontwerpen van metalen structuren en het maken van apparaten voor geavanceerde toepassingen in toekomstige elektronica en optica", aldus Prof. Kourosh Kalantar-Zadeh, een corresponderende auteur van de studie.