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.