化学和力量如何在固体表面刻画神秘的螺旋图案

UCLA的博士生黄怡琳注意到，她的其中一个样品上出现了一些微小的点，这个样品在意外如此一夜未被放回。这个分层样品由一个锗晶圆和蒸发的金属薄膜构成，与一滴水接触。出于一时兴起，她在显微镜下观察这些点，简直不敢相信她的眼睛。通过化学反应，美丽的螺旋图案已经被蚀刻在锗的表面上。

黄的好奇心让她展开了一次探索之旅，发现了没有人见过的事情：数百个近乎相同的螺旋图案可以自发地在一个平方厘米的锗芯片上形成。更重要的是，实验参数的细微变化，比如金属薄膜的厚度，产生了不同的图案，包括阿基米德螺旋、对数螺旋、莲花形状、径向对称图案等。

这一发现发表于物理评论材料，是在黄尝试将DNA固定到金属薄膜时偶然发生的一个小错误。

黄说：“我当时试图开发一种测量技术，通过断裂和重组化学键来对表面上的生物分子进行分类。将DNA分子固定在固体基底上是相当常见的。我想没有任何与我做同样错误的人会去显微镜下观察。”

为了进一步了解图案的形成，黄与合著者、UCLA物理学教授乔凡尼·佐基共同研究了一个系统，该系统涉及在锗晶圆表面蒸发一层10纳米厚的铬，接下来是4纳米厚的黄金。然后，研究人员在表面放置一滴温和的蚀刻溶液并使其在一夜间干燥，接着用同样的蚀刻溶液在湿腔室内清洗并重新孵育芯片，以防止蒸发。

佐基说：“该系统基本上形成了一个电解电容器。”

在24到48小时的时间内，金属薄膜催化的化学反应在锗表面蚀刻出了显著的图案。对这一过程的调查显示，铬和金薄膜处于应力状态，并在催化反应进行时从锗中剥离。所产生的应力在金属薄膜中产生了皱纹，在进一步的催化下，蚀刻出了研究人员所看到的惊人图案。

佐基说：“金属层的厚度、样品的初始应力状态以及蚀刻溶液的成分都在决定所形成的图案类型方面发挥作用。”

这项研究中的一项最令人兴奋的发现是，这些图案不仅仅是化学反应的结果，而是受到金属薄膜中残余应力的影响。研究表明，金属的预先存在的拉伸或压缩决定了出现的形状。因此，化学过程和机械过程共同作用，产生了这些图案。

这种耦合，在催化驱动的界面变形与基础化学反应之间形成的关系，在实验室实验中是不寻常的，但在自然界中却是很常见的。酶在自然界中催化生长，这种生长会使细胞和组织变形。正是这种机械不稳定性使得组织生长成特定形状，其中一些形状与黄的实验中所看到的相似。

佐基说：“在生物世界中，这种耦合实际上是无处不在的。我们只是在实验室实验中没有想到这一点，因为大多数关于图案形成的实验都是在液体中进行的。这就是这项发现如此令人兴奋的原因。它为我们提供了一个非生物实验室系统，以研究这种耦合及其惊人的图案形成能力。”

关于化学反应中图案形成的研究始于1951年，当时苏联化学家鲍里斯·贝劳索夫意外发现一种能够自发地随时间振荡的化学系统，这开启了化学图案形成和非平衡热力学的新领域。与此同时，英国数学家艾伦·图灵独立地发现化学系统，后来被称为“反应-扩散系统”，可以在空间中自发形成图案，例如条纹或波点。黄的实验中观察到的反应-扩散动态与图灵所假设的理论相吻合。

尽管物理学中的复杂系统与图案形成领域在1980年代和90年代曾享受了一段风光，但至今实验室中用于研究化学图案形成的实验系统本质上仍是1950年代引入的变体。黄-佐基系统代表了化学图案形成实验研究的重大进展。