近日，我校新材料与新能源学院研究团队发现一种新型“图灵斑图”,该工作为理解自然有序，生物形态结构，材料自组装等具有很高的价值。 该成果以“Turing patterns with high-resolution formed without chemical reaction in thin-film solution of organic semiconductors” 为题在《Nature Communication》上发表。新材料与新能源学院2019级硕士研究生项泽众为该文的第一作者，李顺朴教授为通讯作者。深圳技术大学为第一完成单位。
1952年，著名数学家 “阿兰×图灵” 为了解释生物形态及体表花纹的形成提出了反应-扩散理论，该理论被后来的诸多实验所证实。这种通过化学反应-扩散机制所形成的规则图案称作 “图灵斑图”。 研究团队发现，这种斑图的形成不一定需要化学反应过程，也可以通过上坡扩散等物理机制实现。他们将有机分子溶液约束在微米间隙的狭缝中（图1），由于液体对流受到高度抑制，溶剂挥发所引起的浓缩（或组分过冷）可以延迟有机溶质分子的沉淀，从而使系统驱策到远离平衡态。当溶液浓缩到临界点时，系统出现失稳，产生远离平衡态的拐点分解，形成规则的浓度谐波（条纹结构）。浓度谐波可以产生二次失稳，衍生出大量的规则斑图，如方格，锯齿，栅栏，马赛克等多种形貌（图2）。该工作所采用的实验系统构成一个简单的“耗散系统”，可以在没有人工参与的天然条件下实现（如微小岩缝内淤积的生物分子水溶液）。所发现的斑图形貌，有序而多变，类似的图案可以在生物体系中找到，如植物叶脉等。该工作可以用于微纳材料的自组装，或许还可以对生物形态结构的理解提供一个新的角度。
图1.斑图形成原理示意图.(a)有机溶液约束于衬底与柔性盖板之间；(b)溶液浓缩至临界点后形成浓度波；(c)溶剂挥发后浓度波沉积在衬底上；（d）有机分子溶质-溶剂二元相图.图中示出拐点分解区（蓝色）及溶液如何经过C0-C¢-C成分点浓缩至临界成分点C*.其中DT为溶液的过零度，右上角示意图表示平衡态沉淀时的无序形貌。
图2.有机溶液薄膜内形成的几种典型斑图形貌. 溶液由小分子半导体C8-BTBT，掺杂聚合物（聚苯乙烯，PI）和氯苯溶剂配制而成.（a）(10mg C8-BTBT + 10mg PS)/ml;(b) 10mg C8-BTBT/ml; (c) (10mg C8-BTBT + 5mg PS)/ml; (d) (10mg C8-BTBT + 10mg PS)/ml.(e-h) 利用谐波模拟得到的几种斑图形貌。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35162-z
稿件来源：新材料与新能源学院
