2021年7月14日
人类大脑天生擅长的一件事就是识别各种各样的图案，比如斑马身上的条纹、海龟壳，甚至水晶的结构。由于我们在数学和自然科学方面的进步，我们不仅仅局限于看到模式；我们也可以理解t欧洲杯线上买球它们很容易产生于纯粹的随机性。
在铋的单原子层中发现的条纹图案与某些热带鱼的色素沉着中发现的条纹图案相同。这两个都是图灵模式的例子，顺序是由一组动力学方程的随机性自然产生的。图像信用：电子通信大学的Yuki Fuseya
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。这是否意味着图灵图案可以在纳米尺度上，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!
在发表于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。
神秘双条纹的发现是偶然的；研究人员最初打算在铌二硒化物衬底上制备一层双单分子膜，用于研究二维物理现象。他们看到的是一个周期为5个原子（约1.7 nm）的条纹图案，带有Y形结。这些条纹与某些热带鱼的条纹有着惊人的相似性，它们是图灵模式中自然出现的一种。受这一观察结果的启发，Fuseya博士的团队从理论角度更详细地研究了双层单层膜问题。
该团队开发了一个数学模型，以一种与产生图灵模式的动态扩散反应方程一致的方式解释了潜在的物理力。在该模型中，考虑了铋对、铋和硒（Se）对之间的相互作用以及铋三联体中的键角。研究人员进行了数值模拟，并验证了生成的模式与先前的实验结果精确相似。
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，可以考虑，甚至利用图灵模式。“基于我们的研究结果，我们可以消除不期望的图案并制作完全扁平的薄膜，这对纳米电子学至关重要。另一方面，我们可以使用图案模式作为新设备的构建块，以研究未开发的物理区域，”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。“我们发现铋是一种无机固体，能够像生物一样治愈伤口。这种特性可能导致通过结合扩散和反应现象来生产纳米器件的新技术，“Fuseya博士说。
令人着迷的是，在相距多个数量级的尺度上，顺序可以从随机性中以完全相同的方式出现。这项研究表明，从热带鱼的色素沉着到纳米级晶体生长，自然界中各种尺度的联系是如何形成的！
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