数百个规则图案自发地出现在一个小锗晶片上。
对锗晶片上带有金属薄膜的小点的好奇心，导致了通过化学反应蚀刻出的复杂螺旋图案的发现。进一步的实验表明，这些模式是通过变形催化剂与机械力相互作用的化学反应产生的。这一突破标志着自20世纪50年代以来研究化学模式形成的最重大进展。了解这些复杂的系统可以揭示材料中裂纹形成等自然过程以及应力对生物生长的影响。
加州大学洛杉矶分校的博士生Yilin Wong注意到她的一个样本上出现了小点，这些小点是在一夜之间不小心遗漏的。层状样品由一个锗晶片组成，上面有蒸发的金属薄膜，与一滴水接触。她一时兴起，在显微镜下观察了这些圆点，简直不敢相信自己的眼睛。通过化学反应，美丽的螺旋图案被蚀刻在锗表面。
Yilin Wong的好奇心带领她踏上了探索之旅，揭示了一些以前从未见过的东西：在一厘米见方的锗晶片上自发形成了数百个几乎相同的螺旋图案。更值得注意的是，实验参数的微小变化，如金属薄膜的厚度，会产生不同的图案，包括阿基米德螺旋、对数螺旋、莲花形状、径向对称图案等等。
这一发现发表在《物理评论材料》杂志上，当时Yilin Wong在试图将DNA与金属薄膜结合时犯了一个小错误。
“我试图开发一种测量技术，通过破坏和重组化学键来对表面上的生物分子进行分类，”Wong说。“将DNA分子固定在固体底物上是很常见的。我猜没有一个犯了和我一样错误的人碰巧在显微镜下观察过。”
了解催化过程
为了更多地了解这些图案是如何形成的，Yilin Wong和加州大学洛杉矶分校的物理学教授Giovanni Zocchi研究了一个系统，该系统涉及在锗晶圆表面蒸发10纳米厚的铬层，然后是4纳米的金层。接下来，研究人员在芯片表面滴上一滴温和的蚀刻溶液，并将其干燥一夜，然后用同样的蚀刻溶液清洗芯片，并在潮湿的室内重新孵育，以防止蒸发。
“这个系统基本上形成了一个电解电容器，”Zocchi说。
在24-48小时的过程中，金属薄膜催化的化学反应在锗表面蚀刻出显著的图案。对该工艺的研究表明，随着催化反应的进行，铬和金薄膜受到应力并从锗中剥离。由此产生的压力在金属薄膜上产生了皱纹，在进一步的催化作用下，这些皱纹蚀刻出了研究人员所看到的令人惊奇的图案。
“金属层的厚度，样品机械应力的初始状态，以及蚀刻溶液的组成都在决定形成的图案类型方面发挥着作用，”Zocchi说。
这项研究中最令人兴奋的发现之一是，这些图案不是纯化学的，而是受金属薄膜中残余应力的影响。研究表明，金属先前存在的张力或压缩决定了出现的形状。因此，两个过程，一个是化学过程，一个是机械过程，共同产生了这些图案。
与生物生长和模式形成的联系
在催化驱动的界面变形和潜在的化学反应之间形成的这种类型的耦合在实验室实验中是不寻常的，但在自然界中很常见。酶在自然界中催化生长，使细胞和组织变形。正是这种机械不稳定性使得组织长成特殊的形状，其中一些类似于Wong的实验中看到的形状。
“在生物界，这种耦合实际上无处不在，”Zocchi说。“我们只是没有在实验室实验中考虑它，因为大多数关于图案形成的实验室实验都是在液体中完成的。这就是为什么这项发现如此令人兴奋。它为我们提供了一个非活体实验室系统，可以研究这种耦合及其令人难以置信的模式形成能力。”
化学反应模式形成的研究始于1951年，当时苏联化学家鲍里斯·别洛乌索夫（Boris Belousov）偶然发现了一种可以随时间自发振荡的化学系统，开创了化学模式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（Alan Turing）独立地发现，化学系统（后来被称为“反应扩散系统”）可以自发地在空间中形成图案，比如条纹或圆点。黄的实验中观察到的反应扩散动力学与图灵的理论假设相吻合。
尽管在20世纪80年代和90年代，物理学和模式形成的复杂系统领域享有一段时间的聚光灯，但直到今天，用于研究实验室化学模式形成的实验系统基本上是20世纪50年代引入的实验系统的变体。Wong-Zocchi系统代表了化学图案形成实验研究的重大进展。
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