Всё в природе имеет геометрический узор — от полос тигра и спиралей в цветах до уникальных отпечатков пальцев каждого человека. Хотя некоторые из этих узоров 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 формироваться асимметричный узор в процессе биологического роста через явление, называемое «нарушением симметрии». Хотя эти явления описаны в математических исследованиях, в них отсутствуют физико-химические эксперименты, которые бы воспроизводили это явление.
Недавнее исследование
Недавнее исследование, проведённое в Японском передовом институте научных технологий (JAIST) под руководством доцента Косукэ Окейоши и докторанта Тхи Ким Лок Нгуен, раскрывает механизмы 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 поверхности на несколько сегментов, обычно наблюдаемое при испарении вязких жидкостей, таких как полимерные растворы, в ограниченных пространствах. Важно отметить, что это деление происходит асимметрично, нарушая пространственную симметрию исходной системы.
В своих предыдущих исследованиях доктор Окейоши 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 интерфейсов во время испарения, были плохо изучены — до сих пор», — объясняет доктор Окейоши.
Используя контролируемые эксперименты и вероятностный анализ, исследователи попытались раскрыть механизм, стоящий за несимметричным расщеплением мениска. Они заметили, что расщепление жидкой поверхности 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, интерфейс разделялся на два или три сегмента с явными отклонениями от симметричных положений.
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 существенно 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 жидкой фазы полимерного раствора и воздуха. Расстояние было больше, чем удвоенная капиллярная длина. 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 синхронной генерации в природных узорах, с практическими приложениями в проектировании и оптимизации полимерных материалов и процессов.
«Эта работа устраняет разрыв между теоретическим формированием узоров и реальным физическим поведением, с идеями, применимыми также к природному миру», — говорит доктор Окейоши. «Наши результаты не только углубляют наше понимание неравновесных систем, но и предлагают потенциальные применения в материаловедении, коллоидной науке, науке о межфазных поверхностях, гидродинамике, неравновесной науке и науках о жизни».
Предоставлено
Японским передовым институтом научных технологий (JAIST).
symmetry breaking.\” Although reported through mathematical studies, these studies lack physical-chemical experiments that replicate this phenomenon.”,”A recent study at the Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), led by Associate Professor Kosuke Okeyoshi and doctoral student Thi Kim Loc Nguyen, uncovers the mechanisms behind symmetry breaking during a process called meniscus splitting in evaporating polymer solutions. The findings of the study were published in Advanced Science on June 3, 2025.”,”Meniscus splitting is the geometric division of a single evaporating liquid interface into multiple segments, typically observed when viscous fluids like polymer solutions are evaporated in confined spaces. Crucially, this division occurs in an asymmetric fashion, breaking the spatial symmetry of the original system.”,”In his previous studies, Dr. Okeyoshi had reported that meniscus splitting in evaporating polymer dispersions forms dissipative structures—systems that form and maintain order despite being far from thermodynamic equilibrium. Such structures are commonly seen in natural systems, including biological tissues, chemical reactions, and weather patterns.”,”\”We had previously reported meniscus splitting as a dissipative structure phenomenon, but the precise mechanisms guiding the symmetry and positioning of split interfaces during evaporation were poorly understood—until now,\” explains Dr. Okeyoshi.”,”Using controlled experiments and probabilistic analysis, the researchers tried to uncover the mechanism behind the unsymmetrical meniscus splitting. They observed that the splitting of the liquid interface doesn’t occur evenly. Instead, the nucleation points—the spots where the split begins—form at uneven, unpredictable positions along the confined space. This symmetry breaking and its time of occurrence vary significantly depending on different factors like the width of the container and the fluid’s properties.”,”For the experiments, the researchers used chitosan, a biocompatible polysaccharide, as the polymer material. When the polymer solution evaporated under controlled conditions, the interface split into either two or three sections, with clear deviations from symmetric positions. Focusing on conditions where the interface splits into two or three, the team examined nucleation positions in detail.”,”Statistical analysis revealed that symmetry breaking and asynchronous nucleus formation occur with each split type and are interrelated. In binary splits, nuclei tend to form off-center, and this displacement becomes more prominent with increasing cell width. In ternary splits, the second nucleation’s timing and position significantly affect asynchronous nuclei formation. These two aspects are crucial to understanding time evolution in such phenomena.”,”Additionally, the spacing between nuclei was influenced by the capillary length at the interface between the liquid phase of the polymer solution and air. The spacing is greater than twice the capillary length. In this study, a viscous polysaccharide solution of chitosan was used, with a capillary length of around 5 mm. This phenomenon has also been demonstrated with other polysaccharides, contributing to a wider understanding of pattern formation.”,”The simple exploration of the splitting process in this study contributes to the fundamental understanding of symmetry breaking and synchronous generation in natural patterns, with practical applications in designing and optimizing polymer-based materials and processes.”,”\”This work bridges a gap between theoretical pattern formation and real-world physical behavior, with insights also applicable to the natural world,\” says Dr. Okeyoshi. \”Our results not only deepen our understanding of non-equilibrium systems but also offer potential applications in materials science, evolutionary ecology, and meteorology.\””,”While the finding is a significant milestone in polymer science, the implications extend far beyond impacting multiple fields, including colloid science, interfacial science, materials science, fluid dynamics, non-equilibrium science, and life sciences. Furthermore, integration of these findings with mathematics, simulation, and data science may promote further development in pattern formation theory and material design.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tJapan Advanced Institute of Science and Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник