Průlomový objev: Fyzici z UCLA objevili záhadné spirálové vzory
Zdroj: Shutterstock
Vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles učinili nečekaný objev, který by mohl změnit naše chápání chemických a mechanických procesů na pevných površích. Při náhodném experimentu si doktorandka Yilin Wong všimla záhadných spirálových vzorů vzniklých na povrchu germania pokrytého kovovou vrstvou. Další výzkum ukázal, že tyto vzory nejsou pouze chemického původu, ale vznikají v důsledku kombinace chemických reakcí a mechanického napětí.
Vše začalo, když doktorandka Yilin Wong z UCLA omylem nechala svůj vzorek přes noc v laboratorních podmínkách. Tento vzorek se skládal z germaniového waferu pokrytého tenkou vrstvou kovu, který byl vystaven kapce vody. Když se na něj podívala pod mikroskopem, objevila nádherné spirálové vzory vyryté do povrchu.
Další experimenty odhalily, že tyto vzory vznikají díky interakci chemických reakcí s mechanickými silami prostřednictvím deformujícího se katalyzátoru. Tým zjistil, že mírné změny experimentálních parametrů – například tloušťky kovové vrstvy – mohou vést k tvorbě různých vzorů, včetně:
🔹 Archimédovských spirál
🔹 Logaritmických spirál
🔹 Lotosových květů
🔹 Radiálně symetrických vzorů
Vědci tak doslova odkryli nový mechanismus vzniku vzorů, který propojuje chemické a mechanické procesy.
Rozluštění katalytického procesu
Aby lépe pochopili, jak se vzory tvoří, Wong a její kolega Giovanni Zocchi, profesor fyziky na UCLA, provedli další experimenty. Nejprve na germaniový wafer odpařili 10nanometrovou vrstvu chromu, na ni 4nanometrovou vrstvu zlata a poté povrch vystavili mírnému leptacímu roztoku.
Celý proces probíhal ve dvou fázích:
- První leptání: Po vyschnutí roztoku přes noc se povrch opláchl a znovu vystavil leptání.
- Mechanická deformace: Jak katalytická reakce probíhala, došlo k delaminaci (odloučení) kovových vrstev od povrchu germania. Napětí v kovové vrstvě vytvořilo vrásnění, které se pod dalším chemickým působením přetvořilo ve složité vzory.
„Tloušťka kovové vrstvy, počáteční stav mechanického stresu vzorku a složení leptacího roztoku – to vše hraje klíčovou roli v tom, jaký vzor se vytvoří,“ vysvětluje Zocchi.
Jedním z nejpřekvapivějších zjištění bylo, že vzory nejsou čistě chemického původu – mechanický stres v kovové vrstvě také zásadně ovlivňuje jejich tvar.
Propojení s biologickým růstem a přírodními vzory
Podobná propojení mezi chemickými a mechanickými procesy jsou v přírodě běžná, například při růstu buněk nebo tkání. Enzymy katalyzují biologické reakce, což způsobuje mechanickou deformaci buněk a tkání. Tento proces vytváří specifické tvary, které se podobají těm, které Wong a Zocchi pozorovali ve svých experimentech.
„V biologii je tento druh interakce všudypřítomný,“ říká Zocchi. „V laboratořích se na něj ale tolik nezaměřujeme, protože většina experimentů se vzory probíhá v kapalinách. To dělá tento objev tak vzrušujícím – máme konečně neživý laboratorní systém, kde můžeme tento mechanismus studovat.“
Historický kontext: Od Turinga k současnosti
Studium vzorů v chemických reakcích začalo už v roce 1951, kdy sovětský chemik Boris Belousov objevil oscilující chemický systém, který vedl ke vzniku spontánních vzorů v čase. Britský matematik Alan Turing nezávisle objevil mechanismus reakčně-difúzních systémů, které mohou generovat vzory v prostoru – například pruhy nebo puntíky.
Wong a Zocchi nyní přinášejí nový experimentální systém, který posouvá toto bádání dál. Zatímco od 50. let se ve fyzice vzorů využívaly hlavně kapalné systémy, jejich práce představuje zcela nový přístup ke studiu těchto jevů na pevných površích.
Zdroje:
