Struktury Turing działaja także w nanoświecie

Polsko-duński zespół fizyków po raz pierwszy wykazał, że w świecie pojedynczych atomów i cząsteczek mogą formować się struktury Turinga, a cały proces można wykorzystać na wiele ciekawych sposobów.

Paski zebry widział każdy, nie każdy jednak wie, że są one utrwalonymi  frontami reakcji chemicznych, zachodzących zgodnie z procesem po raz  pierwszy opisanym przez słynnego brytyjskiego matematyka Alana Turinga,  twórcę podstaw współczesnej informatyki. Struktury Turinga w świecie chemii przejawiające się najczęściej w postaci periodycznych zmian stężeń substancji chemicznych, obserwowano dotychczas tylko w rozmiarach rzędu mikrometrów i większych. Wydawało się, że w mniejszych skalach – w  nanoświecie, w którym ruchami pojedynczych atomów i cząsteczek rządzą  przypadkowe fluktuacje – struktury te nie mają prawa się spontanicznie  formować.

– Dotychczas nikt nawet nie badał możliwości powstawania struktur Turinga z udziałem pojedynczych atomów lub cząsteczek. Tymczasem nasze wyniki dowodzą, że nanostruktury Turinga jednak mogą istnieć. A skoro mogą, będzie można dla nich znaleźć bardzo konkretne zastosowania w  nanotechnologii i inżynierii materiałowej –  stwierdza dr hab. Bogdan  Nowakowski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie,  jeden z fizyków w polsko-duńskim zespole, który niedawno przeprowadzał  symulacje komputerowe i analizy teoretyczne dotyczące nanostruktur Turinga.

Struktury Turinga występują w układach dynamicznych, dalekich od stanu równowagi. W odpowiednich warunkach może wtedy dojść do sprzężenia: zachodzące reakcje chemiczne wpływają na stężenia własnych składników, co z kolei zmienia przebieg samych reakcji. Proces prowadzi do  powstawania periodycznych, lecz niekoniecznie monotonnie regularnych  struktur. W przyrodzie struktury te odgrywają ważną rolę, zwłaszcza w  formowaniu się młodych organizmów (morfogenezie). Na przykład w  początkowych fazach rozwoju zarodków kręgowców w ich mezodermie  grzbietowej tak tworzą się periodyczne segmenty, somity, które później  przekształcają się m.in. w kręgi, elementy kręgosłupa.

– W naszych badaniach rozważaliśmy bardzo proste reakcje dwóch  modelowych substancji różniących się szybkością dyfuzji. Z symulacji  komputerowych, przeprowadzonych metodą dynamiki molekularnej we  współpracy z dr. Jesperem Hansenem z duńskiego uniwersytetu w Roskilde,  wyłonił się bardzo ciekawy obraz – mówi dr Piotr Dziekan (IChF PAN).

W symulowanych układach (o rozmiarach nanometrowych) spontanicznie formowały się wyraźne i trwałe struktury – periodyczne zmiany gęstości  cząsteczek, które pozostawały stabilne mimo destrukcyjnego działania  fluktuacji. Okazało się, że jeden cykl zmiany stężeń w ramach struktury Turinga może się pojawić już na długości 20 cząsteczek.

Możliwość formowania struktur Turinga na odległościach rzędu nanometrów  otwiera drogę do ciekawych zastosowań, zwłaszcza w zakresie modyfikowania powierzchni materiałów. Umiejętnie dobierając skład  chemiczny reagentów oraz warunki, w których do niej dochodzi, można  byłoby formować struktury Turinga rozwijające się w dwóch wymiarach (na  samej powierzchni materiału) lub w trzech (a więc także w przestrzeni  przylegającej do powierzchni). Uformowane struktury można byłoby  następnie utrwalić, np. za pomocą fotopolimeryzacji, otrzymując w ten  sposób trwałą, rozbudowaną powierzchnię o złożonej, periodycznej  budowie.

Badania nad nanostrukturami Turinga sfinansowano w ramach programu  Międzynarodowe Projekty Doktoranckie Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Więcej:undefined