【图铃】图灵YYDS！60年前不乐观的理论再次得到了证明。这次是原子水平

萧萧头下凹非庙

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你认为斑马的黑白条纹、贝壳的复杂花纹都是随便长的吗？

不！

这种自然重复模式的很大一部分可以用一组方程来解释。

听起来很奇怪，但确实是图灵本人创造的——60年前，他在研究自然后提出了这个方程。

反应扩散方程的一般形式

后来发现，该方程适用于斑马、贝类、鱼、豹的条纹等许多自然界模式。

图源：维基百科

他们统一了图灵模式这个名字。

但是斑马、豹、蛤、鱼等基本属于宏观的图案，微观的图灵斑点研究也很少。

现在，来自斯坦福等高校的科学家们发现晶体生长的微观图案也可以用图灵斑点图来描述。

这种晶体被称为铋，特殊条件下的原子生长模式与图灵方程预测的形式非常相似，目前的研究结果发表在Nature Physics上。

铋

是的。用一套公式预测模式的图灵在60年内再次跨越微观和宏观的界限。

什么是“图灵斑点图”？

时间可以追溯到1952年。

阿伦图灵利用计算机进行了大量的数学运算后，提出了“反应扩散方程”的公式，即开始方程。

公式认为，重复的自然模式是通过具有特定特征的两个事物(如分子、细胞)相互作用而产生的。

两种事物的特定特征是速度不同，可以在空间中传播，其中一种是催化剂。这种催化剂可以自动激活，然后产生抑制剂，传播速度比催化剂快，催化剂中途中断，最终产生相应的模式。(莎士比亚，坦普林。)

只要约束反应扩散方程的各种条件，就可以自发地构造斑纹、条纹、环、螺旋或斑点图案。

但是，从数学水平推导出来的这个方程起初没有得到生物学家们的认可。(莎士比亚)。

几十年后，生物学家才发现图灵的反应扩散方程“出人意料地有用”。

从生物学原理来看，图灵的反应扩散方程理论只能解释极少数图灵斑点。但是从数学角度来看，它确实能描述和预测很多复杂的图案。

以前对图灵斑点图的研究大多集中在宏观层面，在微观尺度上应用反应扩散方程的研究较少。(莎士比亚、图灵、图灵、图灵、图灵、图灵、图灵、图灵)

但是科学家们不久前发现，在微观晶体生长中也会出现图灵斑点。

本来他们认为是巧合，但经过研究后发现图灵斑点也是现象，可以用图灵的反应扩散方程进行增长预测。

微小铋原子生长

斯坦福大学的研究人员最初试图让钚原子在二硒表面生长薄的原子层。

然而，铋原子并没有按照他们的想法走，相反，它们在伊塞勒-铌表面聚集在一起。(威廉莎士比亚，斯图尔特，原子，原子，原子)。

均匀的块状物。

斯坦福大学的研究人员感到困惑，便将这种现象展示给了日本电气通信大学的同行。

同行看后表示：有点像图灵斑图。

一开始他们没有深究这种可能性，毕竟铋原子生长似乎不符合图灵的反应扩散方程理论：必须要有分子等实体做催化剂。

然而，当他们试着用反应扩散方程模拟铋晶体生长图案时，却发现预测结果与生长纹路高度相似：

△左边为铋原子的实际生长情况

研究人员们又回过头去分析铋原子在二硒化铌表面的生长情况，发现如果将反应扩散方程理论中对两类事物限定的“分子”条件改成“位移”，就能解释这种现象。

也就是说，铋原子在二硒化铌表面的垂直位移是催化剂，而水平位移是抑制剂。

这样一来，就能准确预测铋原子在二硒化铌表面的生长情况了。

这篇论文的一作Yuki Fuseya，日本电气通信大学助理教授，二作Hiroyasu Katsuno，则来自日本北海道大学。

另外两名作者Kamran Behnia和Aharon Kapitulnik，则分别来自巴黎文理研究大学和斯坦福大学。

所以，预测微观的晶体生长有什么用？

由于晶体具有各向异性，即全部或部分物理、化学等性质随方向的不同而有所变化，因此会在不同方向上呈现出差异性。

如果能预测甚至影响微观晶体在某个方向上生长，就能将那个方向的物理/化学性能发挥得更好，例如材料的催化性能等。

下一步，作者们希望用观察铋获取的经验，来进一步观察锡等原子的生长情况。

图灵斑图在微观世界还会继续出现吗？让我们拭目以待。

论文地址：

参考链接：
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