В мире одиночных атомов и молекул, управляемых хаотическими флуктуациями, возможно ли спонтанное формирование паттернов Тьюринга - тех самых, которые ответственны за неправильную, но периодическую форму полос на телах зебр? Польско-датская группа физиков впервые продемонстрировала, что такой процесс может не только происходить, но и использоваться для потенциально очень интересных приложений.
Все знакомы с полосками зебры, но не все знают, что это проявления химических реакций, протекающих по процессу, впервые описанному знаменитым британским математиком Аланом Тьюрингом, создателем основ сегодняшней информатики. Закономерности Тьюринга, которые чаще всего проявляются в химии как периодические изменения концентрации химических веществ, до сих пор наблюдались только в микронах и более. Казалось, что в меньшем масштабе - в наномасштабе, где движением отдельных атомов и молекул управляют случайные флуктуации, - эти закономерности не имеют права формироваться спонтанно.
До сих пор никто даже не изучал возможность формирования паттернов Тьюринга отдельными атомами или молекулами. Однако наши результаты показывают, что наноструктуры Тьюринга могут существовать. И поскольку это так, мы будем в состоянии найти для них очень конкретное применение в нанотехнологии и материаловедении», - говорит д-р Богдан Новаковски из Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве, один из физиков в польско-датской группе, которая недавно провел компьютерное моделирование и теоретический анализ наноструктур Тьюринга.
Тьюринговские паттерны возникают в динамических системах, далеких от состояния равновесия. Тогда при соответствующих условиях может действовать механизм обратной связи: протекающие химические реакции могут влиять на концентрацию своих компонентов, что, в свою очередь, может изменять ход самой реакции. Процесс приводит к формированию периодических, но не обязательно монотонно-регулярных закономерностей. В природе эти закономерности играют важную роль, в частности, при формировании молодых организмов (морфогенез). Например, на начальных фазах развития зародышей позвоночных так в дорсальной мезодерме формируются периодические сегменты - сомиты, которые в дальнейшем превращаются, в том числе, в позвонки - компоненты позвоночника.
В наших исследованиях мы рассмотрели очень простые реакции двух модельных веществ с разной скоростью диффузии. Компьютерное моделирование, проведенное с использованием молекулярной динамики в сотрудничестве с доктором Йеспером Хансеном из Датского университета Роскилле, привело к очень интересная картина», - говорит доктор. Петр Дзекан (IPC PAS).
В моделируемых системах спонтанно формировались четкие и постоянные закономерности (нанометровых размеров) - периодические изменения плотности молекул, которые оставались стабильными, несмотря на разрушительное влияние флуктуаций. Оказалось, что один цикл изменения концентрации в паттерне Тьюринга может проявиться на длине всего 20 молекул.
Для формирования наноструктур Тьюринга между химическими веществами должны происходить химические реакции, удовлетворяющие определенным условиям. Это требование резко сокращает количество соединений, которые могут участвовать в процессе, и, следовательно, сильно ограничивает потенциальные области применения. Однако моделирование, проведенное польско-датской командой, позволяет предположить, что наноструктуры Тьюринга могут быть достаточно легко перенесены в другие соединения, не участвующие непосредственно в основной реакции.
Наноструктуры Тьюринга могут возникнуть только из тщательно отобранных химических веществ. К счастью, образованный ими узор может быть «отпечатан» в концентрации других химических соединений. Чтобы паттерн копировался, эти соединения должны выполнять всего два простых условия: они должны связываться с одним из реагентов основной реакции и медленно диффундировать», - объясняет доктор Дзикан.
Возможность формирования паттернов Тьюринга на нанометровых расстояниях открывает двери для интересных приложений, особенно в области модификации поверхности материалов. Умело подобрав химический состав реагентов и условия, в которых протекает реакция, можно было бы формировать узоры Тьюринга в двух измерениях (на одной и той же поверхности материала) или в трех (также в пространстве, примыкающем к поверхности).). Сформированные шаблоны затем можно было бы зафиксировать, например. путем фотополимеризации с получением постоянной, стабильной, расширенной поверхности со сложной периодической структурой.