模型来解释化学花园生长

自1600年代中期以来,化学家已经着迷于色彩鲜艳,形状结构形式通过混合金属盐在一个小瓶子。

直到现在,研究人员已经无法模型如何将这些看似简单的管状结构被称为化学花园——工作和管理他们的模式和规则的形成。

在本周发表的一篇论文在《美国国家科学院学报》上,佛罗里达州立大学的研究人员提出一个模型,解释了这些结构向上生长,形成不同形状和他们如何从一种灵活的、自修复材料更加脆弱。

材料上下文,它非常有趣,”说,前苏联的化学和生物化学教授奥利弗·小羚羊。“他们不像晶体生长。水晶有不错的尖角和生长原子层的原子层。当一个洞出现在化工园、自愈。这些是早期步骤学习如何制作材料,可以重新配置和自我修复。”

通常,化学花园形成硅酸金属盐粒子在一个解决方案。溶解盐反应的解决方案创建一个离心力的半透膜向上的解决方案,创造一个biological-looking结构,类似于珊瑚。

科学家首次观察到化学花园于1646年,多年来一直着迷于他们的有趣的形成。化学与热液喷口的形成和钢的腐蚀表面能形成不溶性管的地方。

“人们意识到这些都是奇特的事情,”小羚羊说。“他们有非常悠久的历史在化学。变得更像一个演示实验,但在过去的10到20年里,科学家们开始感兴趣了。”

灵感的数学模型由小羚羊,布鲁诺巴蒂斯塔和研究生和博士后研究员莫里斯,来自实验,稳步硅酸盐溶液注入更大体积的两个水平板之间的解决方案。这些显示不同的增长模式和弹性材料开始,但随着年龄,材料变得更加严格,会碎。

两层允许研究人员之间的约束来模拟不同的形状模式,一些看起来像花,头发,螺旋和蠕虫。

在他们的模型中,研究人员描述了这些模式出现在化工园的发展。盐解决方案可以在化学组成变化很多,但他们的模型解释了形成的普遍性。

例如,模式可以由松散的粒子,折叠膜或self-extending细丝。模型验证的观察,新鲜膜扩大microbreaches,展示材料的自愈能力。

“好事我们得到我们所需要的本质描述化学花园的形状和增长,”巴蒂斯塔说。

参考:公元前巴蒂斯塔,莫里斯AZ,小羚羊o .模式选择材料老化:化学花园在二维和三维建模。PNAS。2023;120 (28):e2305172120。doi:10.1073 / pnas.2305172120

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