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1952年，著名的英國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家阿蘭·圖靈（Alan Turing）提出了一種新的圖案形成理論。他認(rèn)為，自然界中出現(xiàn)的斑馬條紋、熱帶魚(yú)條紋、烏龜貝殼上的花紋、向日葵的螺紋等圖案，是由兩種不同的物質(zhì)所致導(dǎo)致的，一種是抑制劑，另一種是激活劑。

圖靈將這些物質(zhì)稱(chēng)為形態(tài)發(fā)生素，它們有著不同的擴(kuò)散速率，其中抑制劑的作用是抑制圖案的生成，而激活劑則能促進(jìn)圖案的生成。由這些形態(tài)發(fā)生素的反應(yīng)擴(kuò)散而自發(fā)組織形成的斑紋、條紋、環(huán)紋、螺旋或是斑點(diǎn)等結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為圖靈斑圖。

圖靈斑圖在動(dòng)植物身上非常常見(jiàn)。在30多年前，科學(xué)家首次報(bào)道了在人工的化學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的圖靈斑圖，而且這些圖案在通常情況下都大到對(duì)人類(lèi)肉眼可見(jiàn)。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，當(dāng)一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)試圖在一種晶體上生長(zhǎng)鉍（Bi）單原子層時(shí)，在原子級(jí)尺度上觀(guān)測(cè)到了圖靈斑圖，這是有史以來(lái)出現(xiàn)的最小的圖靈斑圖。研究人員將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了近期的《自然-物理》雜志上。

日本電氣通信大學(xué)的副教授Yuki Fuseya是這項(xiàng)研究的第一作者，他是研究鉍及其在凝聚態(tài)物理中的應(yīng)用的專(zhuān)家。在此之前，他從來(lái)沒(méi)有想過(guò)他的研究會(huì)與圖靈斑圖產(chǎn)生什么聯(lián)系，因?yàn)閳D靈模式主要是在數(shù)學(xué)生物領(lǐng)域中的研究課題。

然而，在偶然地注意到鉍單原子層中出現(xiàn)的一些神秘的周期性條紋后，F(xiàn)useya產(chǎn)生了一個(gè)大膽的想法——它們會(huì)不會(huì)是圖靈斑圖？他不禁想知道，在如此微小的納米級(jí)尺度上，也能存在圖靈斑圖嗎？

經(jīng)過(guò)三年的嘗試之后，他與團(tuán)隊(duì)成功地找到了詳細(xì)的證據(jù)，表明圖靈斑圖真的可以出現(xiàn)在比之前認(rèn)為的小得多的尺度上。

這是一項(xiàng)始于偶然的發(fā)現(xiàn)。一開(kāi)始，研究人員想要進(jìn)行一些二維物理現(xiàn)象的研究，他們打算在二硒化鈮（NbSe?）晶體上制造鉍單原子層。結(jié)果正如前文所說(shuō)到的，他們看到了一個(gè)周期性的條紋圖案，寬約2納米。

研究人員注意到，這些條紋與在一些熱帶魚(yú)身上的條紋有著驚人的相似之處，而熱帶魚(yú)身上的條紋正是圖靈斑圖的典型示例之一。因此，雖然他們觀(guān)察到的條紋比之前已知的所有圖靈斑圖都要小得多，但Fuseya和他的團(tuán)隊(duì)還是從中受到啟示，決定從理論的角度對(duì)鉍單原子層進(jìn)行更詳細(xì)的研究。

他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)分析可能導(dǎo)致了這些圖案形成的力學(xué)，這一模型與產(chǎn)生圖靈斑圖的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)方程是一致的。在這個(gè)模型中，研究人員考慮了鉍-鉍之間的相互作用，鉍-硒（Se）之間的相互作用，以及三個(gè)鉍原子之間的鍵角。在對(duì)鉍單原子層的生長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬后，他們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬所生成的圖案與在類(lèi)似條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的圖案非常一致。

結(jié)果清晰地表明，在特定的條件下，即便是在納米級(jí)尺度上也同樣可以形成圖靈斑圖。這是令人驚訝的結(jié)果。鑒于自然界的圖靈斑圖需要依賴(lài)兩種形態(tài)發(fā)生素的不同擴(kuò)散速率；而相比之下，在新的研究中只有一種化學(xué)成分——鉍原子參與整個(gè)過(guò)程。研究人員表示，鉍原子的垂直位移和水平位移是不同的，可分別作為激活劑和抑制劑。

研究人員還指出，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀(guān)察到——鉍作為一種無(wú)機(jī)固體，居然表現(xiàn)出了可以像生物“愈合傷口”一樣的行為。這就凸顯了圖靈圖斑的另一個(gè)神奇的特征，即盡管它們表面看起來(lái)是靜態(tài)的，但實(shí)則是處于一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，當(dāng)它們?cè)獾狡茐臅r(shí)可以進(jìn)行“自我修復(fù)”。

這些前所未有的發(fā)現(xiàn)給物理學(xué)家?guī)?lái)了新的思路，它意味著在納米尺度的物理學(xué)中，我們或許可以將圖靈圖斑作為一個(gè)新的研究方向。比如在新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以去掉那些不想要的圖案，制作出完全平坦的薄膜，這對(duì)納米電子學(xué)至關(guān)重要，有著巨大的應(yīng)用意義。

從理論的角度上看，這樣的結(jié)果也令人欣喜。它意味著在各種不同的數(shù)量級(jí)尺度上，秩序可以以完全相同的方式從隨機(jī)性中產(chǎn)生。人類(lèi)大腦天生擅長(zhǎng)識(shí)別各種圖案，無(wú)論是動(dòng)物的花紋，還是晶體的結(jié)構(gòu)。幸好我們擁有在數(shù)學(xué)和自然科學(xué)上的進(jìn)步，讓我們可以不僅僅局限于看到表面的圖案，而且還可以理解它們是如何從純粹的隨機(jī)中誕生的。