Сотни регулярных узоров спонтанно возникают на небольшом германиевом чипе.
Любопытство, вызванное крошечными точками на германиевой пластине с металлическими плёнками, привело к открытию сложных спиральных узоров, вытравленных в результате химической реакции. Дальнейшие эксперименты показали, что эти узоры возникают из взаимодействия химических реакций с механическими силами через деформирующийся катализатор. Это открытие стало самым значительным прорывом в изучении формирования химических узоров с 1950-х годов. Понимание этих сложных систем может пролить свет на природные процессы, такие как образование трещин в материалах и влияние стресса на биологический рост.
Докторантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Илин Вонг заметила крошечные точки, появившиеся на одном из её образцов, который случайно оставили на ночь. Многослойный образец состоял из германиевой пластины, покрытой напылёнными металлическими плёнками, контактирующими с каплей воды. Наугад она решила рассмотреть точки под микроскопом и не поверила своим глазам. На поверхности германия химической реакцией были вытравлены прекрасные спиральные узоры.
Любопытство Вонг отправило её в путешествие полное открытий, раскрыв нечто ранее невиданное: сотни почти идентичных спиральных узоров, спонтанно сформировавшихся на германиевом чипе размером в квадратный сантиметр. Ещё более удивительно, что небольшие изменения экспериментальных параметров, таких как толщина металлической плёнки, приводили к появлению разных узоров, включая архимедовы спирали, логарифмические спирали, формы цветка лотоса, радиально-симметричные узоры и многое другое.
Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Materials, произошло случайно, когда Вонг допустила небольшую ошибку, пытаясь прикрепить ДНК к металлической плёнке.
«Я пыталась разработать метод измерения для классификации биомолекул на поверхности через разрыв и восстановление химических связей», — сказала Вонг. «Закрепление молекул ДНК на твёрдой подложке — довольно распространённая практика. Похоже, никто из тех, кто совершал ту же ошибку, что и я, не додумался посмотреть в микроскоп».
Понимание каталитического процесса
Чтобы узнать больше о том, как формируются узоры, Вонг и соавтор Джованни Зокки, профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, исследовали систему, которая включала напыление слоя хрома толщиной 10 нанометров на поверхность германиевой пластины, за которым следовал слой золота толщиной 4 нанометра. Затем исследователи нанесли каплю слабого травильного раствора на поверхность и высушили её в течение ночи, после чего промыли чип и повторно инкубировали его с тем же травильным раствором в влажной камере, чтобы предотвратить испарение.
«Эта система по сути формирует электролитический конденсатор», — сказал Зокки.
В течение 24–48 часов химическая реакция, катализируемая металлической плёнкой, вытравила удивительные узоры на поверхности германия. Исследование процесса показало, что плёнки хрома и золота находились под напряжением и отслаивались от германия по мере протекания каталитической реакции. Возникшее напряжение создало складки в металлической плёнке, которые при дальнейшем катализе вытравили те потрясающие узоры, которые увидели исследователи.
«Толщина металлического слоя, исходное состояние механического напряжения образца и состав травильного раствора — всё это играет роль в определении типа развивающегося узора», — сказал Зокки.
Одно из самых захватывающих открытий в этом исследовании заключается в том, что узоры не являются чисто химическими, а зависят от остаточного напряжения в металлической плёнке. Исследование предполагает, что предварительное натяжение или сжатие металла определяет формы, которые возникают. Таким образом, два процесса — один химический, а другой механический — работали вместе, чтобы создать эти узоры.
Связи с биологическим ростом и формированием узоров
Этот тип связи, возникающий между деформациями интерфейса, вызванными катализом, и лежащими в основе химическими реакциями, необычен для лабораторных экспериментов, но часто встречается в природе. В природе ферменты катализируют рост, что деформирует клетки и ткани. Именно эта механическая нестабильность заставляет ткани приобретать определённые формы, некоторые из которых напоминают узоры, наблюдаемые в экспериментах Вонг.
«В биологическом мире такая связь на самом деле повсеместна», — сказал Зокки. «Мы просто не задумываемся об этом в лабораторных экспериментах, потому что большинство исследований формирования узоров в лаборатории проводится в жидкостях. Именно это делает данное открытие таким захватывающим. Оно предоставляет нам неживую лабораторную систему, в которой можно изучать этот тип связи и её невероятную способность формировать узоры».
Изучение формирования узоров в химических реакциях началось в 1951 году, когда советский химик Борис Белоусов случайно обнаружил химическую систему, способную спонтанно колебаться во времени, что положило начало новым областям — формированию химических узоров и неравновесной термодинамике. В то же время и независимо от него британский математик Алан Тьюринг открыл, что химические системы, позже названные «реакционно-диффузионными системами», могут спонтанно формировать пространственные узоры, такие как полосы или горошек. Реакционно-диффузионная динамика, наблюдаемая в экспериментах Вонг, отражала теоретические предположения Тьюринга.
Хотя область сложных систем в физике и формирование узоров привлекали большое внимание в 1980-х и 90-х годах, до сих пор экспериментальные системы, используемые для изучения формирования химических узоров в лаборатории, по сути, являются вариантами тех, что были введены в 1950-х годах. Система Вонг-Зокки представляет собой значительный прогресс в экспериментальном изучении формирования химических узоров.