Que conexão poderia existir entre as listras nos peixes tropicais e o crescimento do cristal? A resposta é a maneira pela qual a ordem emerge da aleatoriedade por meio dos padrões de Turing, de acordo com o que uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Fuseya da University of Electro-Communications, Japão, encontrou recentemente. Depois de analisar um misterioso padrão listrado, eles observaram enquanto tentavam cultivar uma camada monoatômica de bismuto, eles mostraram que os padrões de Turing também existem em nanoescala.

Uma das coisas em que o cérebro humano se destaca naturalmente é reconhecer todos os tipos de padrões, como listras em zebras, cascos de tartarugas, e até mesmo a estrutura dos cristais. Graças ao nosso progresso em matemática e ciências naturais, não estamos limitados a apenas ver os padrões; também podemos entender como eles se originam prontamente da pura aleatoriedade.

Um exemplo notável de diferentes padrões naturais com uma única explicação matemática são os padrões de Turing. Concebido em 1952 pelo renomado matemático Alan Turing, esses padrões surgem como soluções para um conjunto de equações diferenciais que descrevem a difusão e a reação de produtos químicos que satisfazem algumas condições. Indo muito além da química pura, Turing demonstrou que tais equações explicam, em um grau extremamente preciso, como manchas, listras, e outros tipos de padrões macroscópicos aparecem espontaneamente na natureza. Os padrões de Turing também desempenham um papel na morfogênese - o processo pelo qual os organismos vivos desenvolvem sua forma. Surpreendentemente, os mecanismos subjacentes por trás dos padrões de Turing são preservados em escalas muito diferentes, de centímetros na pigmentação animal a micrômetros em sistemas puramente químicos. Isso significa que os padrões de Turing podem ser encontrados na escala nanométrica, nas posições de átomos individuais?

Professor Associado Yuki Fuseya da University of Electro-Communications, Japão, descobriu recentemente que a resposta é um retumbante sim. Um especialista em bismuto (Bi) e suas aplicações na física da matéria condensada, Dr. Fuseya nunca imaginou trabalhar com padrões de Turing, que são principalmente estudados em biologia matemática. Contudo, ao notar algumas listras periódicas misteriosas que ele tinha visto nas camadas monoatômicas bi, O Dr. Fuseya teve a ideia maluca de que eles poderiam realmente ser padrões de Turing. E depois de três anos de tentativa e erro, ele finalmente encontrou o sucesso.

Em um estudo publicado em Física da Natureza , Dr. Fuseya liderou uma equipe de pesquisa (que incluiu Hiroyasu Katsuno da Universidade de Hokkaido, Japão, Kamran Behnia da PSL Research University, França, e Aharon Kapitulnik, Universidade de Stanford, EUA) que encontraram evidências concretas de que os padrões de Turing podem aparecer em escalas muito menores do que se pensava anteriormente.

A descoberta das misteriosas listras Bi foi um acaso; os pesquisadores pretendiam originalmente produzir uma monocamada Bi em um substrato de disseleneto de nióbio para estudar fenômenos físicos bidimensionais. O que eles viram foi um padrão de listras com um período de cinco átomos, ou cerca de 1,7 nm, com junções em forma de Y. Essas listras tinham uma semelhança impressionante com as encontradas em algumas espécies de peixes tropicais, que surge naturalmente como um dos padrões de Turing. Inspirado por esta observação, A equipe do Dr. Fuseya estudou o problema da monocamada Bi com mais detalhes do ponto de vista teórico.

A equipe desenvolveu um modelo matemático que explica as forças físicas subjacentes de uma forma que seja consistente com as equações de reação de difusão dinâmica que produzem padrões de Turing. Neste modelo, as interações entre pares Bi-Bi, Pares bi e selênio (Se), e ângulos de ligação em trigêmeos Bi-Bi-Bi foram considerados. Os pesquisadores realizaram simulações numéricas e verificaram que os padrões gerados se assemelhavam com precisão aos achados experimentais anteriores.

Essas descobertas sem precedentes abrem o caminho para uma nova direção de pesquisa em física em nanoescala que pode considerar, e até mesmo explorar, Padrões de Turing. "Com base em nossas descobertas, podemos remover padrões indesejáveis ​​e fazer filmes finos perfeitamente planos, which are crucial for nanoelectronics. Por outro lado, 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. Em vez de, 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.