驚人發現！UCLA物理學家揭開固體表面神秘螺旋圖案之謎

在一個小小的鍺晶片上，數百個規則的圖案自發地形成，這項發現源自於對鍺晶片與金屬薄膜上微小點狀物的好奇。進一步的實驗揭示，這些精緻的螺旋圖案是由化學反應與機械力相互作用，透過變形催化劑刻蝕而成。這項突破標誌著自1950年代以來，化學圖案形成研究中最重大的進展。理解這些複雜系統，可能為自然過程如材料裂縫形成和生物生長中的應力效應提供新的見解。

UCLA博士生Yilin Wong在一次偶然的機會中，注意到她的樣品上出現了微小點狀物，這個樣品意外地放置了一整夜。這個多層樣品由鍺晶片頂部覆蓋蒸發金屬薄膜，並與一滴水接觸。出於好奇，她在顯微鏡下觀察這些點狀物，結果令她難以置信：美麗的螺旋圖案被化學反應刻蝕在鍺表面上。

Wong的好奇心引領她踏上發現之旅，揭示了一項前所未見的現象：在一個平方釐米的鍺晶片上，數百個幾乎相同的螺旋圖案自發形成。更令人驚奇的是，實驗引數的微小變化，如金屬薄膜的厚度，會產生不同的圖案，包括阿基米德螺旋、對數螺旋、蓮花形狀、放射對稱圖案等。

這項發現發表在《物理評論材料》期刊上，源於Wong在嘗試將DNA結合到金屬薄膜時的一個小錯誤。Wong表示：「我原本是試圖開發一種測量技術，透過化學鍵的斷裂和重組來分類表面上的生物分子。將DNA分子固定在固體基質上相當常見。我猜沒有人像我一樣犯同樣的錯誤，並在顯微鏡下觀察。」

為了深入瞭解這些圖案的形成機制，Wong與共同作者、UCLA物理學教授Giovanni Zocchi研究了一個系統，該系統涉及在鍺晶片表面蒸發10奈米厚的鉻層，然後再覆蓋4奈米厚的金層。接著，研究人員在表面滴上一滴溫和的蝕刻溶液，並讓其乾燥過夜，然後清洗並在濕室中重新孵育晶片，以防止蒸發。

Zocchi解釋道：「這個系統基本上形成了一個電解電容器。」在24至48小時內，由金屬薄膜催化的化學反應在鍺表面上刻蝕出驚人的圖案。研究過程顯示，隨著催化反應的進行，鉻和金薄膜受到應力並從鍺上剝離。產生的應力在金屬薄膜中形成皺褶，在進一步催化下，刻蝕出研究人員所見的驚人圖案。

Zocchi指出：「金屬層的厚度、樣品的初始機械應力狀態以及蝕刻溶液的成分，都決定了形成的圖案型別。」這項研究中最令人興奮的發現之一是，這些圖案並非純粹由化學反應產生，而是受到金屬薄膜中殘餘應力的影響。研究顯示，金屬的預先張力或壓縮決定了形成的形狀。因此，化學和機械兩個過程共同作用，產生了這些圖案。

這種由催化驅動的介面變形與基礎化學反應之間的耦合，在實驗室實驗中並不常見，但在自然界中卻很普遍。Zocchi表示：「在生物世界中，這種耦合實際上無處不在。我們在實驗室實驗中通常不會考慮到這一點，因為大多數關於圖案形成的實驗都是在液體中進行的。這就是這項發現如此令人興奮的原因。它為我們提供了一個非生物的實驗室系統，來研究這種耦合及其驚人的圖案形成能力。」

化學反應中圖案形成的研究始於1951年，當時蘇聯化學家Boris Belousov意外發現了一個能夠在時間上自發振盪的化學系統，這開創了化學圖案形成和非平衡熱力學的新領域。與此同時，英國數學家Alan Turing獨立發現，化學系統（後來稱為反應擴散系統）能夠在空間上自發形成圖案，如條紋或圓點。Wong實驗中觀察到的反應擴散動力學與Turing提出的理論相呼應。

儘管複雜系統物理學和圖案形成領域在1980年代和90年代曾一度受到關注，但至今，實驗室中用於研究化學圖案形成的實驗系統基本上仍是1950年代引入的變體。Wong-Zocchi系統代表了化學圖案形成實驗研究中的一個重大進展。

參考文獻：Yilin Wong和Giovanni Zocchi，2025年3月3日，《物理評論材料》，DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.9.035201。