Welk verband zou er kunnen bestaan ​​tussen de strepen op tropische vissen en kristalgroei? Het antwoord is de manier waarop orde voortkomt uit willekeur door Turing-patronen, volgens wat een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Fuseya van de University of Electro-Communications, Japan, onlangs heeft gevonden. Na het analyseren van een mysterieus gestreept patroon, observeerden ze terwijl ze probeerden een monoatomaire laag bismut te laten groeien, ze toonden aan dat Turing-patronen ook op nanoschaal bestaan.

Een van de dingen waar het menselijk brein van nature in uitblinkt, is het herkennen van allerlei patronen, zoals strepen op zebra's, schelpen van schildpadden, en zelfs de structuur van kristallen. Dankzij onze vooruitgang in wiskunde en natuurwetenschappen, we zijn niet beperkt tot het zien van de patronen; we kunnen ook begrijpen hoe ze gemakkelijk voortkomen uit pure willekeur.

Een opmerkelijk voorbeeld van verschillende natuurlijke patronen met een enkele wiskundige verklaring zijn Turing-patronen. Ontworpen in 1952 door de beroemde wiskundige Alan Turing, deze patronen ontstaan ​​als de oplossingen voor een reeks differentiaalvergelijkingen die de diffusie en reactie beschrijven van chemicaliën die aan enkele voorwaarden voldoen. Veel verder gaan dan pure chemie, Turing toonde aan dat dergelijke vergelijkingen verklaren, opmerkelijk nauwkeurig, hoe vlekken, strepen, en andere soorten macroscopische patronen verschijnen spontaan in de natuur. Turingpatronen spelen ook een rol bij morfogenese - het proces waarbij levende organismen hun vorm ontwikkelen. Verrassend genoeg, de onderliggende mechanismen achter Turing-patronen worden bewaard op enorm verschillende schalen, van centimeters in dierlijke pigmentatie tot micrometers in puur chemische systemen. Betekent dit dat Turing-patronen op nanometerschaal kunnen worden gevonden, in de posities van individuele atomen?

Universitair hoofddocent Yuki Fuseya van de University of Electro-Communications, Japan, heeft onlangs ontdekt dat het antwoord een volmondig ja is. Een specialist op het gebied van bismut (Bi) en zijn toepassingen in de fysica van de gecondenseerde materie, Dr. Fuseya had nooit gedacht dat hij met Turing-patronen zou werken, die meestal worden bestudeerd in de wiskundige biologie. Echter, bij het opmerken van enkele mysterieuze periodieke strepen die hij had gezien in Bi monoatomaire lagen, Dr. Fuseya kreeg het wilde idee dat het eigenlijk Turingpatronen zouden kunnen zijn. En na drie jaar van vallen en opstaan, hij vond eindelijk succes.

In een studie gepubliceerd in Natuurfysica , Dr. Fuseya leidde een onderzoeksteam (waaronder Hiroyasu Katsuno van de Hokkaido University, Japan, Kamran Behnia van de PSL Research University, Frankrijk, en Aharon Kapitulnik, Stanford universiteit, VS) die concreet bewijs vonden dat Turing-patronen op veel kleinere schalen kunnen verschijnen dan eerder werd gedacht.

De vondst van de mysterieuze Bi-strepen was toevallig; de onderzoekers waren oorspronkelijk van plan een Bi-monolaag te produceren op een niobiumdiselenidesubstraat voor het bestuderen van tweedimensionale fysieke verschijnselen. Wat ze zagen was een patroon van strepen met een periode van vijf atomen, of ongeveer 1,7 nm, met Y-vormige knooppunten. Deze strepen vertoonden een opvallende gelijkenis met die van sommige soorten tropische vissen, die van nature ontstaan ​​als een van de Turing-patronen. Geïnspireerd door deze observatie, Het team van Dr. Fuseya bestudeerde het Bi-monolaagprobleem in meer detail vanuit een theoretisch standpunt.

Het team ontwikkelde een wiskundig model dat de onderliggende fysieke krachten verklaart op een manier die consistent is met de dynamische diffusie-reactievergelijkingen die Turing-patronen produceren. Bij dit model is de interacties tussen Bi-Bi paren, Bi en selenium (Se) paren, en bindingshoeken in Bi-Bi-Bi-tripletten werden overwogen. De onderzoekers voerden numerieke simulaties uit en verifieerden dat de gegenereerde patronen nauwkeurig leken op de eerdere experimentele bevindingen.

Deze ongekende bevindingen effenen de weg naar een nieuwe onderzoeksrichting in de natuurkunde op nanoschaal die kan overwegen, en zelfs exploiteren, Turing patronen. "Op basis van onze bevindingen we may remove undesirable patterns and make perfectly flat thin films, which are crucial for nanoelectronics. Anderzijds, 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. In plaats daarvan, 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.