艾伦·图灵在1952年提出，在非平衡条件下，两种成形素的反应扩散过程可以诱发斑点、条带、迷宫等一系列自组织斑图的形成。构建图灵系统存在一些基本要求：系统必须远离热力学平衡态，并包含自催化或自阻滞过程，且阻滞子的扩散速率应远远快于激活子，以满足短程激活和长程抑制的要求。最简单的构造方法是选择两种扩散系数区别足够大的物质，但这在传统的化学溶液体系中很难实现，因为大多数化学物质的扩散系数都在同一个数量级（~10-5 cm2s-1）。
镓基液态金属可以和一系列固体金属发生溶解、合金、反应、扩散等相互作用，且因为不同金属之间的扩散机制以及扩散激活能不同，扩散系数也存在着本征区别。近日，中科院理化技术研究所刘静、王倩团队在国际刊物Advanced Materials上发表了题为“Turing Instability of Liquid-Solid Metal Systems”的文章（DOI: 10.1002/adma.202309999），博士研究生邢泽溶为论文第一作者。该小组提出了在液态金属-固体金属（GaX-Y）非平衡反应-扩散体系中获得迷宫、条带、斑点等稳态图灵图案的普适性机制，并以GaIn-Ag体系为例进行了概念验证和理论探究，揭示了活化子In和阻滞子Ga的协同作用机制，阐明了反应物浓度和外界温度对斑图演化的调控机理。这一工作系首次发现液态金属在固体金属表面扩散失稳可以产生图灵斑图，也为未来利用凝聚态物质构建实验体系来探究复杂材料乃至生物体内的形态发生过程提供了基础方法及更多可能。
液态金属-固体金属图灵系统及斑图演化
液态金属-固体金属图灵系统由镓基液态金属团簇（GaX）和具有相对较大表面积的Y金属薄膜组成（图1）。为满足图灵体系的要求，X为可以与Ga合金化的金属，Y则需要能与Ga、X发生反应。此外，X需要比Ga优先和Y发生反应，且X在Y表面的扩散系数要远远小于Ga在Y表面的扩散系数。这样，在Ga/X与Y薄膜基底的扩散和反应的竞争过程中，就产生了不同的时空斑图。以GaIn-Ag体系为例，通过调整反应温度和基底厚度等参数，斑图可以实现从迷宫（视频1）、条纹（视频2）到斑点（视频3）的演化（图2）。
图1 液态金属-固体金属图灵系统
视频1 液态金属-固体金属体系产生的迷宫状斑图
视频2 液态金属-固体金属体系产生的条带状斑图
视频3 液态金属-固体金属体系产生的斑点状斑图
图2 EGaIn-Ag反应扩散体系中图灵斑图的演化
图灵斑图中金属间化合物的生成
对GaIn-Ag反应扩散体系得到的样品进行了XRD及TEM测试（图3）。结果显示，斑点、条带及迷宫等特征区域的组成均为金属间化合物Ag9In4，而Ag2Ga只在斑图的边缘靠近银基底的区域产生。
图3 EGaIn-Ag图灵体系中形成的金属间化合物
图灵失稳过程中的竞争反应机制
为进一步理解Ga/In与Ag基底的竞争反应机制，利用原位TEM研究了EGaIn在Ag膜表面的反应扩散过程，并计算比较了不同金属间化合物的形成能、结合能、总态密度曲线以及各自组分的部分态密度曲线（图4）。结果显示，在Ga/In和Ag的竞争反应中，In比Ga占绝对优势，能优先与Ag发生反应，在In元素耗尽后，Ga才会和Ag反应。In与Ag基底之间的反应是扩散过程的驱动力，因此In是激活子。而Ga也能与Ag发生反应，且Ga的扩散系数更快，Ga和In之间存在的潜在竞争关系就是一种长程抑制作用。在GaIn-Ag图灵系统中，In是短程激活子，Ga则是长程阻滞子。
图4 Ga/In和Ag基底的竞争反应机制
参考文献：
Xing, Z., Zhang, G., Gao, J., Ye, J., Zhou, Z., Liu, B., Yan, X., Chen, X., Guo, M., Yue, K., Li, X., Wang, Q., Liu, J., Turing Instability of Liquid-Solid Metal Systems. Adv. Mater. 2023, 2309999.
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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