Докторантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Илинь Вонг заметила, что на одном из ее образцов, который был случайно оставлен на ночь, появилось несколько крошечных точек. Слоистый образец состоял из германиевой пластины, покрытой испарившимися металлическими пленками при контакте с каплей воды. Повинуясь порыву, она посмотрела на точки под микроскопом и не поверила своим глазам. Красивые спиральные узоры были выгравированы на поверхности германия в результате химической реакции.

Любопытство Вонг привело ее в путешествие, чтобы обнаружить то, чего никто раньше не видел: сотни почти идентичных спиральных узоров могут самопроизвольно образовываться на германиевом чипе площадью в квадратный сантиметр. Более того, небольшие изменения параметров эксперимента, таких как толщина металлической пленки, приводили к появлению различных узоров, включая архимедовы спирали, логарифмические спирали, формы цветка лотоса, радиально-симметричные узоры и многое другое.

Открытие, опубликованное в Physical Review Materials, произошло случайно, когда Вонг допустил небольшую ошибку при попытке связать ДНК с металлической пленкой.

"Я пытался разработать методику измерения, позволяющую классифицировать биомолекулы на поверхности путем разрушения и преобразования химических связей", - сказал Вонг. "Фиксация молекул ДНК на твердой подложке - довольно распространенное явление. Я думаю, что никому из тех, кто совершил ту же ошибку, что и я, не довелось заглянуть под микроскоп".

Чтобы узнать больше о том, как формируются узоры, Вонг и соавтор Джованни Дзокки, профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, исследовали систему, которая включала испарение слоя хрома толщиной 10 нанометров на поверхности германиевой пластины, за которым следовал 4-нанометровый слой золота. Затем исследователи нанесли каплю слабого раствора для травления на поверхность и высушили ее в течение ночи, затем промыли и повторно инкубировали чип с тем же раствором для травления во влажной камере, чтобы предотвратить испарение.

"Система в основном представляет собой электролитический конденсатор", - сказал Зокки.

В течение 24-48 часов химическая реакция, катализируемая металлической пленкой, вытравливала замечательные узоры на поверхности германия. Исследование процесса показало, что пленки хрома и золота находились под напряжением и отслаивались от германия по мере протекания каталитической реакции. Возникшее в результате напряжение создало морщины на металлической пленке, которые при дальнейшем катализе запечатлели удивительные узоры, которые видели исследователи.

"Толщина металлического слоя, начальное состояние механического напряжения образца и состав раствора для травления - все это играет определенную роль в определении типа получающегося рисунка", - сказал Дзокки.

Одно из самых захватывающих открытий в этом исследовании заключается в том, что узоры не являются чисто химическими, а зависят от остаточного напряжения в металлической пленке. Исследование предполагает, что существующее ранее растяжение или сжатие металла определяет возникающие формы. Таким образом, два процесса, один химический и один механический, работали вместе, чтобы получить эти узоры.

Этот тип связи, образующийся между вызванными катализом деформациями поверхности раздела и лежащими в основе химическими реакциями, необычен в лабораторных экспериментах, но распространен в природе. Ферменты катализируют естественный рост, который деформирует клетки и ткани. Именно эта механическая нестабильность заставляет ткани принимать определенные формы, некоторые из которых напоминают те, что наблюдались в экспериментах Вонга.

"В биологическом мире такой вид спаривания на самом деле распространен повсеместно", - сказал Зокки. "Мы просто не думаем об этом в лабораторных экспериментах, потому что большинство лабораторных экспериментов по формированию узоров проводятся в жидкостях. Вот что делает это открытие таким захватывающим. Это дает нам неживую лабораторную систему, в которой можно изучать этот вид сцепления и его невероятную способность формировать паттерны".

Изучение формирования структуры в химических реакциях началось в 1951 году, когда советский химик Борис Белоусов случайно обнаружил химическую систему, способную самопроизвольно колебаться во времени, что положило начало новым областям химического формирования структуры и неравновесной термодинамики. В то же время и независимо британский математик Алан Тьюринг обнаружил, что химические системы, позже названные "реакционно-диффузионными системами", могут спонтанно образовывать узоры в пространстве, такие как полосы или горошек. Динамика реакции-диффузии, наблюдаемая в экспериментах Вонга, отражала теоретические выкладки Тьюринга.

Хотя область сложных систем в физике и формирования паттернов некоторое время находилась в центре внимания в 1980-х и 90-х годах, по сей день экспериментальные системы, используемые для изучения формирования химических паттернов в лаборатории, по сути, являются вариантами тех, что были представлены в 1950-х годах. Система Вонга-Зокки представляет собой значительный прогресс в экспериментальном изучении формирования химических паттернов.