"De länge delade, måste förena, länge förenade, måste dela. Så har det någonsin varit."

De inledande raderna i den stora kinesiska historiska romanen Romance of the Three Kingdoms kondenserar dess komplexa och spektakulära berättelser till ett sammanhängande mönster, det vill säga maktblock delar sig och förenas cykliskt under turbulenta stridsår.

En bra filosofi eller teorem har generella implikationer. Nu, i arbete publicerat i tidskriften Nature Synthesis , rapporterade forskare från Australien, Nya Zeeland och USA en ny typ av stelningsmönster som liknar plotten i den kinesiska klassikern, men den här gången förekommer på ytan av stelnande flytande metaller.

Teamet löste upp en liten mängd metaller som silver (Ag) i lösningsmedelsmetaller med låg smältpunkt som gallium (Ga), och undersökte hur de metalliska komponenterna interagerar och separerar för att bilda mönster när de metalliska vätskeblandningarna (legeringarna) stelnar .

Forskarna fann att ett enda silver-gallium-system kan producera distinkta mönster som partiklar eller buntliknande strukturer av en Ag₂ Ga-förening.

Den individuella Ag₂ Ga-strukturer som bygger mönstren är små, med mikrometer eller nanometer tjocklek, tiotals eller hundratals gånger tunnare än ett människohår.

Mest överraskande observerade forskarna att mönstren splittras och förenas på ett upprepat sätt. "Första gången jag såg sådana cykliska divergerande-konvergenta mönster påminde det mig omedelbart om de berömda inledningslinjerna i Romansen om de tre kungadömena", säger Dr Jianbo Tang från University of New South Wales (UNSW, Australien), som är studiens första författare.

Mönsterbildning är ett grundläggande men allestädes närvarande fenomen som har intresserat och inspirerat forskare under lång tid. Vissa mönstertyper är vanligare än andra.

Bland alla olika mönsterbeteenden ses ofta divergerande mönsterbildning eller bifurkation i naturen eftersom detta speciella arrangemang i allmänhet gynnar energiomvandling eller distribution. "Det vill säga, det är den 'enklaste' vägen", förklarar Dr. Tang. Flodnätverk, trädgrenar, blixtvägar och kärlsystem är alla exempel på bifurkation.

I jämförelse påträffas konvergent mönstertillväxt, eller omvänd bifurkation, mindre ofta eftersom det strider mot den energetiskt gynnsamma bifurkationen.

Den märkliga cykliska divergerande och konvergenta tillväxten, som kallas oscillerande bifurkation, är sällsynt och har inte observerats i stelningsstrukturer innan det nya publicerade arbetet.

Trots detta observerade forskarna oscillerande bifurkationsmönster på ytan av flera flytande legeringar efter stelning, vilket tyder på att detta kontraintuitiva beteende är ganska allmänt för stelningsmönster som bildas på ytan av flytande metaller.

Analogt med den dramatiserade romanen där de turbulenta krafterna mellan och inom ett stort antal maktblock driver dessa grupper att dela sig och förenas, fann teamet att det också är instabiliteten hos den flytande metallytan som ligger till grund för uppkomsten av de exotiska oscillerande bifurkationsmönstren .

"Surface pattern formation of liquid metal alloys is a new but exciting topic. The surface or interfacial nature of the process enables us to better understand and control fundamental phase transition and pattern formation." Dr. Tang added, "We will continue our work on designing crystalline surface patterns and structures using liquid metals to enable cutting-edge applications such as plasmonic sensing, high-efficiency electronics and optics, and high-precision spectroscopy."

Zebra stripes, leopard spots and other patterns on the skin of frozen metal alloys that defy conventional metallurgy