Vilket samband kan det finnas mellan ränderna på tropiska fiskar och kristalltillväxt? Svaret är det sätt på vilket ordning uppstår från slumpmässighet genom Turing-mönster, enligt vad en forskargrupp ledd av Dr Fuseya från University of Electro-Communications, Japan, har nyligen hittat. Efter att ha analyserat ett mystiskt randigt mönster, de observerade när de försökte odla ett monoatomiskt lager av vismut, de visade att Turing-mönster också finns på nanoskala.

En av de saker som den mänskliga hjärnan naturligtvis briljerar med är att känna igen alla möjliga mönster, som ränder på zebror, skal av sköldpaddor, och även strukturen av kristaller. Tack vare våra framsteg inom matematik och naturvetenskap, vi är inte begränsade till att bara se mönstren; vi kan också förstå hur de lätt har sitt ursprung ur ren slumpmässighet.

Ett anmärkningsvärt exempel på olika naturliga mönster med en enda matematisk förklaring är Turing-mönster. Utfattad 1952 av den berömda matematikern Alan Turing, dessa mönster uppstår som lösningarna till en uppsättning differentialekvationer som beskriver diffusionen och reaktionen av kemikalier som uppfyller ett fåtal villkor. Går långt bortom ren kemi, Turing visade att sådana ekvationer förklarar, i en anmärkningsvärt exakt grad, hur fläckar, Ränder, och andra typer av makroskopiska mönster dyker upp spontant i naturen. Turingmönster spelar också en roll i morfogenesen - den process genom vilken levande organismer utvecklar sin form. Förvånande, de underliggande mekanismerna bakom Turing-mönster finns bevarade över väldigt olika skalor, från centimeter i djurpigmentering till mikrometer i rent kemiska system. Betyder detta att Turing-mönster kan hittas på nanometerskala, i enskilda atomers positioner?

Docent Yuki Fuseya från University of Electro-Communications, Japan, har nyligen funnit att svaret är ett rungande ja. En specialist på vismut (Bi) och dess tillämpningar inom fysik av kondenserad materia, Dr Fuseya hade aldrig föreställt sig att arbeta med Turing-mönster, som mestadels studeras i matematisk biologi. Dock, när han lade märke till några mystiska periodiska ränder som han hade sett i två monoatomiska lager, Dr Fuseya fick den vilda idén att de faktiskt kan vara Turing-mönster. Och efter tre år av försök och misstag, han fann äntligen framgång.

I en studie publicerad i Naturfysik , Dr Fuseya ledde ett forskarlag (som inkluderade Hiroyasu Katsuno från Hokkaido University, Japan, Kamran Behnia från PSL Research University, Frankrike, och Aharon Kapitulnik, Stanford University, USA) som hittade konkreta bevis för att Turing-mönster kan förekomma i mycket mindre skalor än man tidigare trott.

Upptäckten av de mystiska Bi-ränderna var serendipitous; forskarna avsåg ursprungligen att producera ett Bi-monoskikt på ett niobdiselenidsubstrat för att studera tvådimensionella fysikaliska fenomen. Det de såg var ett mönster av ränder med en period på fem atomer, eller cirka 1,7 nm, med Y-formade korsningar. Dessa ränder hade en slående likhet med de som finns hos vissa arter av tropiska fiskar, som naturligt uppstår som ett av Turings mönster. Inspirerad av denna observation, Dr Fuseyas team studerade Bi-enkelskiktsproblemet mer i detalj från en teoretisk synvinkel.

Teamet utvecklade en matematisk modell som förklarar de underliggande fysiska krafterna på ett sätt som överensstämmer med de dynamiska diffusions-reaktionsekvationerna som producerar Turing-mönster. I denna modell, interaktionen mellan Bi-Bi-par, Bi och selen (Se) par, och bindningsvinklar i Bi-Bi-Bi-tripletter beaktades. Forskarna genomförde numeriska simuleringar och verifierade att de genererade mönstren exakt liknade de tidigare experimentella fynden.

Dessa aldrig tidigare skådade fynd banar väg mot en ny forskningsriktning inom nanoskalafysik som kan överväga, och till och med utnyttja, Turing mönster. "Baserat på våra resultat, vi kan ta bort oönskade mönster och göra helt platta tunna filmer, which are crucial for nanoelectronics. Å andra sidan, we could use Turing patterns as building blocks for new devices to study unexplored areas of physics, " says Dr. Fuseya. Another attractive aspect of Turing patterns is that they are not static, despite their appearance. Istället, they are in a state of dynamic equilibrium, which means they can "repair" themselves if they are damaged. "We found that Bi, an inorganic solid, is capable of wound healing just like living creatures. This property could lead to new techniques for producing nanoscale devices by combining diffusion and reaction phenomena, " says Dr. Fuseya.