Quale connessione potrebbe esistere tra le strisce sui pesci tropicali e la crescita dei cristalli? La risposta è il modo in cui l'ordine emerge dalla casualità attraverso i modelli di Turing, secondo quanto un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Fuseya dell'Università di Electro-Communications, Giappone, ha recentemente trovato. Dopo aver analizzato un misterioso motivo a strisce, osservarono mentre cercavano di far crescere uno strato monoatomico di bismuto, hanno dimostrato che i modelli di Turing esistono anche su scala nanometrica.

Una delle cose in cui il cervello umano eccelle naturalmente è riconoscere tutti i tipi di schemi, come strisce sulle zebre, gusci di tartarughe, e anche la struttura dei cristalli. Grazie ai nostri progressi in matematica e scienze naturali, non ci limitiamo a vedere solo gli schemi; possiamo anche capire come nascano prontamente dalla pura casualità.

Un esempio notevole di diversi modelli naturali con un'unica spiegazione matematica sono i modelli di Turing. Concepito nel 1952 dal famoso matematico Alan Turing, questi modelli sorgono come soluzioni a una serie di equazioni differenziali che descrivono la diffusione e la reazione di sostanze chimiche che soddisfano alcune condizioni. Andando ben oltre la pura chimica, Turing ha dimostrato che tali equazioni spiegano, in modo straordinariamente preciso, come macchie, strisce, e altri tipi di modelli macroscopici appaiono spontaneamente in natura. Anche i modelli di Turing giocano un ruolo nella morfogenesi, il processo mediante il quale gli organismi viventi sviluppano la loro forma. Sorprendentemente, i meccanismi alla base dei modelli di Turing sono preservati su scale molto diverse, dai centimetri nella pigmentazione animale ai micrometri nei sistemi puramente chimici. Questo significa che i modelli di Turing potrebbero essere trovati su scala nanometrica, nelle posizioni dei singoli atomi?

Professore Associato Yuki Fuseya dell'Università di Elettrocomunicazioni, Giappone, ha recentemente scoperto che la risposta è un sonoro sì. Specialista del bismuto (Bi) e delle sue applicazioni nella fisica della materia condensata, Il dottor Fuseya non avrebbe mai immaginato di lavorare con i modelli di Turing, che sono per lo più studiati in biologia matematica. Però, notando alcune misteriose strisce periodiche che aveva visto in strati monoatomici Bi, Il dottor Fuseya ha avuto la folle idea che potessero essere modelli di Turing. E dopo tre anni di tentativi ed errori, ha finalmente trovato il successo.

In uno studio pubblicato su Fisica della natura , Il Dr. Fuseya ha guidato un gruppo di ricerca (che includeva Hiroyasu Katsuno dell'Università di Hokkaido, Giappone, Kamran Behnia della PSL Research University, Francia, e Aharon Kapitulnik, Università di Stanford, USA) che hanno trovato prove concrete del fatto che i modelli di Turing possono apparire su scale molto più piccole di quanto si pensasse in precedenza.

La scoperta delle misteriose strisce Bi è stata fortuita; i ricercatori originariamente intendevano produrre un monostrato di Bi su un substrato di diseleniuro di niobio per studiare fenomeni fisici bidimensionali. Quello che videro era un motivo a strisce con un periodo di cinque atomi, o circa 1,7 nm, con giunzioni a Y. Queste strisce avevano una sorprendente somiglianza con quelle che si trovano in alcune specie di pesci tropicali, che sorgono naturalmente come uno dei modelli di Turing. Ispirato da questa osservazione, Il team del Dr. Fuseya ha studiato il problema del monostrato Bi in modo più dettagliato da un punto di vista teorico.

Il team ha sviluppato un modello matematico che spiega le forze fisiche sottostanti in modo coerente con le equazioni di reazione di diffusione dinamica che producono modelli di Turing. In questo modello, le interazioni tra coppie Bi-Bi, Bi e coppie di selenio (Se), e sono stati considerati gli angoli di legame nelle triplette Bi-Bi-Bi. I ricercatori hanno effettuato simulazioni numeriche e verificato che i modelli generati assomigliassero accuratamente ai precedenti risultati sperimentali.

Questi risultati senza precedenti aprono la strada verso una nuova direzione di ricerca nella fisica su scala nanometrica che può considerare, e anche sfruttare, Modelli di Turing. "Sulla base dei nostri risultati, we may remove undesirable patterns and make perfectly flat thin films, which are crucial for nanoelectronics. D'altra parte, we could use Turing patterns as building blocks for new devices to study unexplored areas of physics, " says Dr. Fuseya. Another attractive aspect of Turing patterns is that they are not static, despite their appearance. Anziché, they are in a state of dynamic equilibrium, which means they can "repair" themselves if they are damaged. "We found that Bi, an inorganic solid, is capable of wound healing just like living creatures. This property could lead to new techniques for producing nanoscale devices by combining diffusion and reaction phenomena, " says Dr. Fuseya.