【加州大学洛杉矶分校物理学家在固体表面发现神秘螺旋图案】加州大学洛杉矶分校的博士

【加州大学洛杉矶分校物理学家在固体表面发现神秘螺旋图案】

加州大学洛杉矶分校的博士生Yilin Wong注意到她的一个样品上出现了一些小点，这个样品是她不小心放在外面过夜的。这个分层样品由一个锗晶片组成，上面覆盖着蒸发的金属膜，与一滴水接触。一时兴起，她在显微镜下检查了这些小点，简直不敢相信自己的眼睛。美丽的螺旋图案通过化学反应蚀刻在锗表面。

Wong的好奇心引领她踏上探索之旅，发现了一些前所未见的现象：数百个几乎相同的螺旋图案在一厘米见方的锗芯片上自发形成。更引人注目的是，实验参数的微小变化（例如金属膜的厚度）产生了不同的图案，包括阿基米德螺线、对数螺线、莲花形、径向对称图案等。

这一发现发表在《物理评论材料》上，是黄在尝试将DNA结合到金属薄膜上时犯了一个小错误而偶然获得的。

“我当时试图开发一种测量技术，通过化学键的断裂和重组对表面上的生物分子进行分类，”Wong说。“将 DNA 分子固定在固体基质上很常见。我想没有人会像我一样在显微镜下观察过。”

为了进一步了解这些图案是如何形成的，Wong 和论文合著者、加州大学洛杉矶分校物理学教授 Giovanni Zocchi 研究了一种系统，该系统涉及在锗晶片表面蒸发一层 10 纳米厚的铬，然后再蒸发一层 4 纳米厚的金。接下来，研究人员将一滴温和的蚀刻溶液滴在表面上，并将其干燥一夜，然后在湿室中用相同的蚀刻溶液清洗并重新孵育芯片，以防止蒸发。

“该系统基本上形成了一个电解电容器，”Zocchi 说。

在 24-48 小时内，金属膜催化的化学反应在锗表面蚀刻出令人惊叹的图案。对这一过程的调查显示，随着催化反应的进行，铬膜和金膜承受着压力，并与锗分离。由此产生的压力在金属膜上产生了皱纹，在进一步催化下，蚀刻出了研究人员所看到的惊人图案。

这项研究最令人兴奋的发现之一是，图案并非纯化学性质，而是受到金属膜中残余应力的影响。研究表明，金属预先存在的张力或压缩力决定了出现的形状。因此，两种过程（一种是化学过程，一种是机械过程）共同作用产生了图案。

这种耦合是在催化驱动的界面变形与底层化学反应之间形成的，在实验室实验中并不常见，但在自然界中却很常见。酶在自然界中催化生长，使细胞和组织变形。正是这种机械不稳定性使组织长成特定的形状，其中一些形状与黄实验中看到的形状相似。