Wetenschappers bewijzen dat Turing-patronen zich op nanoschaal manifesteren

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 analyse van een mysterieus gestreept patroon, dat ze observeerden terwijl ze probeerden een monoatomaire laag bismut te laten groeien, toonden ze 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 zijn we niet beperkt tot alleen 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. Deze patronen, bedacht in 1952 door de beroemde wiskundige Alan Turing, ontstaan ​​als de oplossingen voor een reeks differentiaalvergelijkingen die de diffusie en reactie beschrijven van chemicaliën die aan een paar voorwaarden voldoen. Turing ging veel verder dan pure chemie en toonde aan dat dergelijke vergelijkingen in opmerkelijk nauwkeurige mate verklaren hoe vlekken, strepen en andere soorten macroscopische patronen spontaan in de natuur verschijnen. Turingpatronen spelen ook een rol bij morfogenese – het proces waarbij levende organismen hun vorm ontwikkelen. Verrassend genoeg zijn de onderliggende mechanismen achter Turing-patronen bewaard gebleven op enorm verschillende schalen, van centimeters in dierlijke pigmentatie tot micrometers in puur chemische systemen. Betekent dit dat Turing-patronen op nanometerschaal te vinden zijn, in de posities van individuele atomen?

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

In een studie gepubliceerd in Natuurfysica, leidde Dr. Fuseya een onderzoeksteam (waaronder Hiroyasu Katsuno van Hokkaido University, Japan, Kamran Behnia van PSL Research University, Frankrijk, en Aharon Kapitulnik, Stanford University, VS) dat concreet bewijs vond dat Turing-patronen op veel kleinere schaal kunnen voorkomen dan eerder 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 overgangen. Deze strepen vertoonden een opvallende gelijkenis met die van sommige soorten tropische vissen, die van nature voorkomen als een van Turing-patronen. Geïnspireerd door deze observatie bestudeerde het team van Dr. Fuseya 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. In dit model werden de interacties tussen Bi-Bi-paren, Bi- en selenium (Se) -paren en bindingshoeken in Bi-Bi-Bi-tripletten 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 fysica op nanoschaal die Turing-patronen kan overwegen en zelfs exploiteren. “Op basis van onze bevindingen kunnen we ongewenste patronen verwijderen en perfect platte dunne films maken, die cruciaal zijn voor nano-elektronica. Aan de andere kant zouden we Turing-patronen kunnen gebruiken als bouwstenen voor nieuwe apparaten om onontgonnen gebieden van de natuurkunde te bestuderen”, zegt Dr. Fusie. Een ander aantrekkelijk aspect van Turing-patronen is dat ze ondanks hun uiterlijk niet statisch zijn. In plaats daarvan bevinden ze zich in een staat van dynamisch evenwicht, wat betekent dat ze zichzelf kunnen ‘repareren’ als ze beschadigd zijn. “We ontdekten dat Bi, een anorganische vaste stof, in staat is tot wondgenezing, net als levende wezens. Deze eigenschap zou kunnen leiden tot nieuwe technieken voor het produceren van apparaten op nanoschaal door diffusie- en reactieverschijnselen te combineren”, zegt Dr. Fuseya.