Как образуются полоски на шкуре зебры или пятна леопарда? Чтобы изучить этот процесс детальнее, ученые из Китая разработали H-образную диэлектрическую барьерную разрядную систему, которая производит языки плазмы и создает множество узоров в 3D. Об говорится в пресс-релизе Американского института физики, который издает журнал Physics of Plasmas, где опубликованы результаты работы.
Более 60 лет назад Алан Тьюринг предложил для объяснения узоров в природе простую математическую модель, называемую реакционно-диффузной моделью. Модель описывает, как два взаимодействующих соединения распространяясь, могут самоорганизоваться в виде лент, точек или других форм.
С тех пор ученые использовали эту реакционно-диффузную модель, чтобы объяснить число узоров, к примеру, на шкуре леопарда, мест сгущения перьев у курицы, волосяных фолликул у мышей и даже складок на верху рта мышиного эмбриона. Однако до сих пор исследования по этой части были ограничены тем, что эксперименты учитывали только одно или два измерения. Очевидно, что в живой природе на молекулярном уровне все эти узоры — трехмерные.
Впервые трехмерный эксперимент поставили в 2011 году ученые из университета Брандис в США. Новая же работа китайских ученых идет дальше. С помощью созданной ими H-образной диэлектрической барьерной разрядной системы можно не только создать множество узоров, но и легко их визуализировать. Можно детально исследовать, как схемы меняются в пространстве и времени. Эксперименты на жидкостях или химикалиях для создания узоров могут длиться часы и дни, а новое устройство делает это за секунды.
Устройство производит плазму из воздуха и аргона, которая разряжается через несколько зазоров, со стороны выглядящих H-образными. Когда ученые изменяют некоторые характеристики устройства, такие как напряжение, ленты разряженной плазмы образует разные 3D-структуры через зазоры. Высокоскоростная камера может зарегистрировать изменения промежуточных форм во времени.
Ученые уже воспроизвели несколько природных схем с помощью предыдущей модификации системы с одним зазором. К примеру, они воссоздали рисунок из отчетливых точек и лент на спине сусликов. Физические эксперименты предполагают, что за узорами лежат сложные механизмы, а не тьюринговая простые реакционно-диффузные уравнения.
Эти плазменные узоры полезны не только для биологии. Они могут пригодиться в туннельных фотонных кристаллах, которые перспективны в качестве компонентов для телекоммуникационных систем таких как микроволновые фильтры, оптические переключатели и волноводы, полагает автор исследования Лифан Дун (Lifang Dong), профессор Университета Хэбэй. «Создание диэлектрической барьерной разрядовой системы для 3D-узоров может сильно продвинуть науку, описывающую образование узоров», — сказал он.
[Фото: Hebei University]
