Även om det är fascinerande att levande varelser utvecklar distinkta mönster på sin hud, vad som kan vara ännu mer mystiskt är deras slående likhet med huden på frusna flytande metaller.

Mönsterbildning är ett klassiskt exempel på ett av naturens underverk som forskare har funderat på i århundraden. Omkring 1952, den berömda matematikern Alan Turing (fadern till moderna datorer) kom på en konceptuell modell för att förklara mönsterbildningsprocessen för ett tvåsubstanssystem. Sådana mönster kallas också för Turing-mönster därefter.

Mönsterbildning antas också ofta av konstgjorda system och detta är särskilt sant inom metallurgi. Den har till och med ett underfält som kallas "metallografi, " som specialiserat sig på studier av mikroskalamönster och sammansättningar av metaller och legeringar. Om du knäpper isär en flerkomponentlegering och tar en titt på dess tvärsnitt, det finns en god chans att du kommer att se omväxlande ränder eller inriktade fläckar av olika metallkomponenter, precis som en mikroskopisk version av mönstren på huden på en zebra eller leopard. Dock, trots den uråldriga kunskapen om kärnan i flytande metallegeringar och deras bulkstelningsmönster, deras ytmönsterbildningsfenomen har länge förbisetts tills nu.

I ett verk publicerat i tidskriften Naturens nanoteknik , forskare från University of New South Wales (UNSW) Sydney och deras medarbetare från University of Auckland (MacDiarmid Institute), RMIT, och UCLA upptäckte att olika typer av mönster förekommer på ytan av stelnade metallegeringar. Teamet använde tvåkomponentsmetallblandningar, såsom galliumbaserade legeringar som innehåller små mängder vismut. Dessa legeringar smälter lätt i ens hand och gör experimentell observation och kontroll bekväm.

"Vi kunde observera ytans stelningsprocessen under ett vanligt optiskt mikroskop och jag blev förvånad när jag först såg en stelningsfront på den flytande metallytan skapa solida mönster bakom den, " sa Dr Jianbo Tang, verkets ledande författare. "Du kan föreställa dig scenen av en glaciär som rör sig över havsytan, men allt som ses under vårt mikroskop är metalliskt och mikroskopiskt." tillade Dr. Tang.

För att se de finare detaljerna i den metalliska glaciären, elektronmikroskopi användes, och forskarna observerade ett kalejdoskop av välordnade mönster inklusive alternerande ränder, böjda fibrer, punktmatriser, och några exotiska stripe-dot hybrider. Förvånande, laget fann att, när dessa mönster bildas, förekomsten av det lågkoncentrerade elementet vismut vid ytregionen ökade mycket. Sådan ytberikning som hittas i denna studie trotsar konventionell metallurgisk förståelse.

Forskarna relaterade magin bakom detta nyligen observerade stelningsfenomen till de unika ytstrukturerna hos flytande metaller och de använde även superdatorer för att simulera processen. I sina datorsimuleringar, de små vismutatomerna, tycks röra sig slumpmässigt i ett hav av galliumatomer, observerades ackumuleras vid legeringsytan.

"Det här tidigare ignorerade fenomenet med ytstelnande förbättrar vår grundläggande förståelse av flytande metallegeringar och deras fasövergångsprocesser. Dessutom, denna autonoma ytprocess kan användas som ett mönstringsverktyg för att designa metalliska strukturer och skapa enheter för avancerade applikationer inom framtida elektronik och optik." sa Prof. Kourosh Kalantar-Zadeh, motsvarande författare till studien.