2021年7月9日
人类大脑天生擅长的一件事就是识别各种各样的模式，比如斑马的条纹，乌龟的壳，甚至晶体的结构。由于我们在数学和自然科学方面的进步，我们不仅局限于看到模式;欧洲杯线上买球我们也可以理解它们是如何轻易地产生于纯粹的随机性。
图灵模式是不同的自然模式的一个值得注意的例子。1952年，著名数学家艾伦·图灵提出了这些图形，作为一组微分方程的解，这些微分方程描述了满足一定条件的化学物质的扩散和反应。
图灵的研究远远超出了纯化学的范畴，他证明了这些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模式是如何在自然界中自发出现的。图灵模式也在形态发生中扮演着重要的角色，形态发生是生物体形成其形状的过程。
令人惊讶的是，图灵模式背后的潜在机制在不同的尺度上被保存下来，从动物色素沉着的厘米到纯化学系统的微米。这是否意味着图灵模式可以在纳米尺度上，在单个原子的位置上找到
日本电子通信大学的副教授Yuki Fuseya最近发现答案是肯定的!作为铋及其在凝聚态物理中的应用方面的专家，Fuseya博士从未想过要研究图灵模式，这主要是在数学生物学中进行的研究。然而，当他在双单原子层中发现一些神秘的周期性条纹时，富塞亚博士产生了一个疯狂的想法，那就是它们可能就是图灵图案。经过三年的反复试验，他终于找到了成功!
发表在自然物理他领导的一个研究小组(包括日本北海道大学的胜野博康、法国PSL研究大学的Kamran Behnia和美国斯坦福大学的Aharon Kapitulnik)发现了具体的证据，证明图灵模式可以在比之前认为的更小的规模出现。
神秘的双条纹的发现是偶然的;研究人员最初打算在铌二硒化基板上制造一层Bi单分子层，用于研究二维物理现象。他们看到的是5个原子周期的条纹图案，约1.7纳米，有y形结。这些条纹与某些热带鱼的条纹有着惊人的相似之处，这些条纹是图灵图案的一种。受此启发，富塞亚博士的团队从理论角度对Bi单层膜问题进行了更详细的研究。
该团队开发了一个数学模型，以一种与产生图灵图案的动态扩散-反应方程一致的方式，解释了潜在的物理力。该模型考虑了Bi-Bi对、Bi和硒(Se)对之间的相互作用以及Bi-Bi-Bi三联体的键角。研究人员进行了数值模拟，并证实生成的图案与之前的实验结果非常相似。
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，可以考虑，甚至利用图灵模式。”基于我们的发现，我们可以去除不需要的图案，制作出完美的平面薄膜，这对纳米电子学至关重要。另一方面，我们可以用图灵模式作为新设备的基石，来研究物理学中尚未探索的领域。”突出了Fuseya博士。图灵模式的另一个吸引人的方面是，尽管它们看起来是静态的，但它们并不是静态的。相反，它们处于动态平衡状态，这意味着如果它们被损坏了，它们可以“修复”自己。我们发现Bi是一种无机固体，具有像生物一样的伤口愈合能力。这种特性可能会导致通过结合扩散和反应现象来生产纳米级器件的新技术。”Fuseya博士的言论。
令人着迷的是，顺序可以以完全相同的方式从随机中产生，且在多个数量级之间。这项研究表明，从热带鱼的色素沉淀到纳米级晶体的生长，自然界中每一个尺度的连接是如何形成的!
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