加州大学洛杉矶分校物理学家在固体表面发现神秘螺旋图案

一块小小的锗芯片上自发出现了数百种规则的图案。出于对带有金属膜的锗晶片上微小点的好奇，研究人员发现了由化学反应蚀刻而成的复杂螺旋图案。进一步的实验表明，这些图案是由化学反应通过变形催化剂与机械力相互作用而产生的。这一突破标志着自 1950 年代以来化学图案形成研究方面最重要的进展。了解这些复杂系统可以揭示自然过程，例如材料中的裂纹形成和压力对生物生长的影响。

直径为 500 微米的对数螺旋，大约是缝纫针直径的一半。图片来源：Yilin Wong

加州大学洛杉矶分校的博士生Yilin Wong注意到她的一个样品上出现了一些小点，这个样品是她不小心放在外面过夜的。这个分层样品由一个锗晶片组成，上面覆盖着蒸发的金属膜，与一滴水接触。一时兴起，她在显微镜下检查了这些小点，简直不敢相信自己的眼睛。美丽的螺旋图案通过化学反应蚀刻在锗表面。

Wong的好奇心引领她踏上探索之旅，发现了一些前所未见的现象：数百个几乎相同的螺旋图案在一厘米见方的锗芯片上自发形成。更引人注目的是，实验参数的微小变化（例如金属膜的厚度）产生了不同的图案，包括阿基米德螺线、对数螺线、莲花形、径向对称图案等。

这一发现发表在《物理评论材料》上，是黄在尝试将DNA结合到金属薄膜上时犯了一个小错误而偶然获得的。

“我当时试图开发一种测量技术，通过化学键的断裂和重组对表面上的生物分子进行分类，”Wong说。“将 DNA 分子固定在固体基质上很常见。我想没有人会像我一样在显微镜下观察过。”

为了进一步了解这些图案是如何形成的，Wong 和论文合著者、加州大学洛杉矶分校物理学教授 Giovanni Zocchi 研究了一种系统，该系统涉及在锗晶片表面蒸发一层 10 纳米厚的铬，然后再蒸发一层 4 纳米厚的金。接下来，研究人员将一滴温和的蚀刻溶液滴在表面上，并将其干燥一夜，然后在湿室中用相同的蚀刻溶液清洗并重新孵育芯片，以防止蒸发。

“该系统基本上形成了一个电解电容器，”Zocchi 说。

两个对数螺旋，每个直径为 260 微米，中央有一个倒金字塔形状的蚀刻坑。图片来源：Yilin Wong

在 24-48 小时内，金属膜催化的化学反应在锗表面蚀刻出令人惊叹的图案。对这一过程的调查显示，随着催化反应的进行，铬膜和金膜承受着压力，并与锗分离。由此产生的压力在金属膜上产生了皱纹，在进一步催化下，蚀刻出了研究人员所看到的惊人图案。

“金属层的厚度、样品的初始机械应力状态以及蚀刻溶液的成分都会决定形成的图案类型，”Zocchi 说。

这项研究最令人兴奋的发现之一是，图案并非纯化学性质，而是受到金属膜中残余应力的影响。研究表明，金属预先存在的张力或压缩力决定了出现的形状。因此，两种过程（一种是化学过程，一种是机械过程）共同作用产生了图案。

这种耦合是在催化驱动的界面变形与底层化学反应之间形成的，在实验室实验中并不常见，但在自然界中却很常见。酶在自然界中催化生长，使细胞和组织变形。正是这种机械不稳定性使组织长成特定的形状，其中一些形状与黄实验中看到的形状相似。

“在生物界，这种耦合其实无处不在，”Zocchi说。“我们只是没有在实验室实验中考虑它，因为大多数关于图案形成的实验室实验都是在液体中进行的。这就是这一发现如此令人兴奋的原因。它为我们提供了一个非生命实验室系统来研究这种耦合及其令人难以置信的图案形成能力。”

化学反应中图案形成的研究始于 1951 年，当时苏联化学家鲍里斯·别洛乌索夫偶然发现了一种可以随时间自发振荡的化学系统，这开创了化学图案形成和非平衡热力学的新领域。与此同时，英国数学家艾伦·图灵独立发现化学系统（后来被称为“反应扩散系统”）可以自发形成空间图案，例如条纹或圆点。Wong实验中观察到的反应扩散动力学反映了图灵提出的理论。

尽管复杂系统物理和模式形成领域在 20 世纪 80 年代和 90 年代备受关注，但至今，用于研究化学模式形成的实验室实验系统基本上是 20 世纪 50 年代引入的实验系统的变体。Wong-Zocchi 系统代表了化学模式形成实验研究的重大进展。

编译自/ScitechDaily