¿Qué conexión podría existir entre las rayas en los peces tropicales y el crecimiento de cristales? La respuesta es la forma en que el orden surge de la aleatoriedad a través de los patrones de Turing, de acuerdo con lo que un equipo de investigación liderado por el Dr. Fuseya de la Universidad de Electro-Comunicaciones, Japón, ha encontrado recientemente. Después de analizar un misterioso patrón de rayas, observaron mientras intentaban hacer crecer una capa monoatómica de bismuto, demostraron que los patrones de Turing también existen a nanoescala.

Una de las cosas en las que el cerebro humano se destaca naturalmente es en reconocer todo tipo de patrones, como rayas en cebras, caparazones de tortugas, e incluso la estructura de los cristales. Gracias a nuestro progreso en matemáticas y ciencias naturales, no estamos limitados a ver los patrones; también podemos entender cómo se originan fácilmente por pura aleatoriedad.

Un ejemplo notable de diferentes patrones naturales con una sola explicación matemática son los patrones de Turing. Concebido en 1952 por el renombrado matemático Alan Turing, estos patrones surgen como soluciones a un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen la difusión y reacción de sustancias químicas que satisfacen unas pocas condiciones. Yendo mucho más allá de la química pura, Turing demostró que tales ecuaciones explican, en un grado notablemente preciso, como manchas, rayas, y otros tipos de patrones macroscópicos aparecen espontáneamente en la naturaleza. Los patrones de Turing también juegan un papel en la morfogénesis, el proceso por el cual los organismos vivos desarrollan su forma. Asombrosamente, los mecanismos subyacentes detrás de los patrones de Turing se conservan en escalas muy diferentes, desde centímetros en la pigmentación animal hasta micrómetros en sistemas puramente químicos. ¿Significa esto que los patrones de Turing se pueden encontrar a escala nanométrica, en las posiciones de los átomos individuales?

El profesor asociado Yuki Fuseya de la Universidad de Electro-Comunicaciones, Japón, Recientemente ha descubierto que la respuesta es un rotundo sí. Especialista en bismuto (Bi) y sus aplicaciones en la física de la materia condensada, El Dr. Fuseya nunca imaginó trabajar con patrones de Turing, que se estudian principalmente en biología matemática. Sin embargo, al notar algunas rayas periódicas misteriosas que había visto en capas monoatómicas Bi, El Dr. Fuseya tuvo la loca idea de que en realidad podrían ser patrones de Turing. Y después de tres años de prueba y error, finalmente encontró el éxito.

En un estudio publicado en Física de la naturaleza , El Dr. Fuseya dirigió un equipo de investigación (que incluía a Hiroyasu Katsuno de la Universidad de Hokkaido, Japón, Kamran Behnia de la Universidad de Investigación PSL, Francia, y Aharon Kapitulnik, Universidad Stanford, EE. UU.) Que encontró evidencia concreta de que los patrones de Turing pueden aparecer en escalas mucho más pequeñas de lo que se pensaba anteriormente.

El hallazgo de las misteriosas rayas Bi fue fortuito; Los investigadores originalmente tenían la intención de producir una monocapa Bi sobre un sustrato de diselenuro de niobio para estudiar fenómenos físicos bidimensionales. Lo que vieron fue un patrón de rayas con un período de cinco átomos, o alrededor de 1,7 nm, con uniones en forma de Y. Estas rayas tenían un parecido sorprendente con las que se encuentran en algunas especies de peces tropicales, que surgen naturalmente como uno de los patrones de Turing. Inspirado por esta observación, El equipo del Dr. Fuseya estudió el problema de la monocapa Bi con más detalle desde un punto de vista teórico.

El equipo desarrolló un modelo matemático que explica las fuerzas físicas subyacentes de una manera que es consistente con las ecuaciones dinámicas de difusión-reacción que producen patrones de Turing. En este modelo, las interacciones entre pares Bi-Bi, Pares de bi y selenio (Se), y se consideraron los ángulos de enlace en tripletes Bi-Bi-Bi. Los investigadores llevaron a cabo simulaciones numéricas y verificaron que los patrones generados se parecían con precisión a los hallazgos experimentales anteriores.

Estos hallazgos sin precedentes allanan el camino hacia una nueva dirección de investigación en física a nanoescala que puede considerar, e incluso explotar, Patrones de Turing. "Según nuestros hallazgos, podemos eliminar patrones indeseables y hacer películas delgadas perfectamente planas, que son cruciales para la nanoelectrónica. Por otra 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. En lugar 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.