Всё в природе имеет геометрический узор — от полос тигра и спиралей в цветах до уникальных отпечатков пальцев каждого человека. Хотя иногда эти узоры симметричны, большинство из них лишены симметрии, что ставит перед нами главный вопрос: как такие несимметричные узоры возникают в природе?
Исследования показывают, что в условиях высыхания среды происходит испарение воды и может привести к формированию асимметричных узоров в процессе биологического роста через явление, называемое «нарушением симметрии» (symmetry breaking). Хотя эти явления описаны в математических исследованиях, им не хватает физико-химических экспериментов, которые бы воспроизводили это явление.
Недавнее исследование
Недавнее исследование, проведённое в Японском передовом институте научных технологий (JAIST) под руководством доцента Косукэ Окойоши и докторанта Тхи Ким Лок Нгуен, раскрывает механизмы, лежащие в основе нарушения симметрии в процессе, называемом расщеплением мениска в испаряющихся полимерных растворах. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science 3 июня 2025 года.
Расщепление мениска — это геометрическое деление единой испаряющейся жидкой границы на несколько сегментов, обычно наблюдаемое, когда вязкие жидкости, такие как полимерные растворы, испаряются в ограниченном пространстве. Ключевым моментом является то, что это деление происходит асимметрично, нарушая пространственную симметрию исходной системы.
В своих предыдущих исследованиях доктор Окойоши сообщал, что расщепление мениска в испаряющихся полимерных дисперсиях формирует диссипативные структуры — системы, которые формируют и поддерживают порядок, несмотря на то, что они далеки от термодинамического равновесия. Такие структуры часто встречаются в природных системах, включая биологические ткани, химические реакции и погодные явления.
«Мы ранее сообщали о расщеплении мениска как о явлении, связанном с диссипативными структурами, но точные механизмы, управляющие симметрией и позиционированием разделённых границ раздела в процессе испарения, были плохо изучены — до сих пор», — объясняет доктор Окойоши.
Используя контролируемые эксперименты и вероятностный анализ, исследователи попытались раскрыть механизм, лежащий в основе несимметричного расщепления мениска. Они обнаружили, что расщепление жидкой границы раздела происходит неравномерно. Точки нуклеации — места, где начинается расщепление, — формируются в неравномерных, непредсказуемых положениях вдоль ограниченного пространства. Это нарушение симметрии и время его возникновения значительно различаются в зависимости от различных факторов, таких как ширина контейнера и свойства жидкости.
Для экспериментов исследователи использовали хитозан, биосовместимый полисахарид, в качестве полимерного материала. Когда полимерный раствор испарялся в контролируемых условиях, граница раздела разделялась на две или три секции с явными отклонениями от симметричных положений. Сосредоточив внимание на условиях, когда граница раздела разделяется на две или три части, команда подробно изучила позиции нуклеации.
Статистический анализ
Статистический анализ показал, что нарушение симметрии и асинхронное формирование ядер происходят при каждом типе расщепления и взаимосвязаны. В бинарных расщеплениях ядра имеют тенденцию формироваться не по центру, и это смещение становится более заметным с увеличением ширины ячейки. В тернарных расщеплениях время и положение второго нуклеации значительно влияют на асинхронное формирование ядер. Эти два аспекта имеют решающее значение для понимания временной эволюции таких явлений.
Кроме того, на расстояние между ядрами влияла капиллярная длина на границе раздела между жидкой фазой полимерного раствора и воздухом. Расстояние превышало удвоенную капиллярную длину. В этом исследовании использовалась вязкая полисахаридная раствор хитозана с капиллярной длиной около 5 мм. Это явление также было продемонстрировано с другими полисахаридами, что способствует более глубокому пониманию формирования узоров.
Простое исследование процесса расщепления в этом исследовании способствует фундаментальному пониманию нарушения симметрии и синхронного генерирования в природных узорах, а также имеет практическое применение в проектировании и оптимизации материалов на основе полимеров и процессов.
«Эта работа устраняет разрыв между теоретическим формированием узоров и реальным физическим поведением, а также даёт представление о природном мире», — говорит доктор Окойоши. «Наши результаты не только углубляют понимание неравновесных систем, но и предлагают потенциальные приложения в материаловедении, коллоидной науке, науке о межфазных явлениях, гидродинамике, неравновесной науке и науках о жизни».
Предоставлено Японским передовым институтом научных технологий.