Что общего у извилин мозга, появления морщин, образования горных цепей и отпечатков пальцев? Все эти структуры, хотя и очень разные, являются результатом одного и того же процесса: сжатия «жесткой мембраны». Французско-бельгийская группа, включающая Лабораторию статистической физики (Laboratoire de physique statistique, CNRS/ENS Paris/UPMC/Université Paris Diderot) и Лабораторию интерфейсов и сложных жидкостей Университета Монс в Бельгии, пролила свет на одну из загадок, лежащих в основе образование таких складчатых структур. Эта работа позволит лучше понять и тем самым предсказать их появление.
Возьмите тонкий лист твердого материала и постарайтесь сжать его так, чтобы он оставался плоским. У вас ничего не получится, так как лист систематически изгибается по всей длине. Это известно как коробление. Теперь наклейте тот же лист на мягкую толстую подложку и снова сожмите его таким же образом: на этот раз он образует чрезвычайно правильный узор из мелких морщин, характеризующихся определенным расстоянием между ними, называемым периодом. Вы можете увидеть эти правильные складки, сжав кожу на тыльной стороне ладони между большим и указательным пальцами или дав кусочку фрукта высохнуть.
Если на этом этапе вы продолжите сжимать лист, произойдет совершенно новое и неожиданное явление. Образовавшиеся складки делятся на два семейства: у одного из них амплитуда увеличивается, а у другого уменьшается. Складывание вдвое концентрирует всю энергию деформации, создавая структуру с периодом, в два раза превышающим первоначальный период. При дальнейшем увеличении сжатия тот же процесс начинается снова, приводя к четырехкратному увеличению начального периода и так далее. В особенно оригинальном подходе исследователи показали, что один и тот же механизм определяет возникновение такого удвоения периода как в складчатых структурах, так и при возвратно-поступательном движении колебательных систем, таких как маятник различной длины (подобно огромному курильница в соборе Сантьяго-де-Компостела, Ботафумейро) или качели. Таким образом, существует сходство между уравнениями, описывающими колебания в пространстве (как в складчатых конструкциях) и колебания во времени (как в маятниках переменной длины).
Этот пример является частью более широкого контекста: исследователи пытаются объяснить морфогенез, вызванный механической нестабильностью. Это явление часто встречается в природе, например, когда складчатость геологических пластов приводит к возникновению гор или когда живая ткань образуется из двух слоев, растущих с разной скоростью (как в мозге, коже и кишечнике). Подход, использованный здесь учеными, выявляет глубинные связи между, казалось бы, не связанными между собой явлениями. Новая теоретическая модель, разработанная исследователями, облегчит понимание и, следовательно, прогнозирование появления таких складчатых структур. Эта работа также может иметь последствия в технологических областях, поскольку она открывает путь к развитию новых методов микропроизводства для моделирования материи путем создания регулярных структур микрометрового размера.