Киральная топографическая нестабильность в сжимающихся сферах

Nature Computational Science, том 2, страницы 632–640 (2022 г.) Процитировать эту статью

5125 Доступов

3 цитаты

66 Альтметрика

Подробности о метриках

Многие биологические структуры демонстрируют интригующие морфологические модели, адаптированные к сигналам окружающей среды, которые способствуют их важным биологическим функциям, а также вдохновляют на дизайн материалов. Здесь мы сообщаем о топографии хиральных складок в сжимающихся сферах ядро-оболочка, что наблюдается в чрезмерно обезвоженных маракуйях и экспериментально продемонстрировано в кремниевых ядрах-оболочках при вытяжке воздухом. При усадочной деформации поверхность сначала изгибается в форму бакибола (периодические шестиугольники и пятиугольники), а затем переходит в хиральный режим. Соседние киральные клеточные структуры могут в дальнейшем взаимодействовать друг с другом, что приводит к нарушению вторичной симметрии и образованию двух типов топологической сети. Мы разрабатываем модель ядро-оболочка и выводим универсальный закон масштабирования, чтобы понять основной механизм морфоупругости, а также эффективно описать и предсказать нарушение такой киральной симметрии далеко за пределами критического порога нестабильности. Более того, мы экспериментально показываем, что киральная характеристика, адаптированная к локальным возмущениям, может быть использована для эффективного и стабильного захвата небольших объектов различной формы, изготовленных из разных жестких и мягких материалов. Наши результаты не только выявляют топографии киральной нестабильности, обеспечивая фундаментальное понимание поверхностного морфогенеза деформированных сфер ядро-оболочка, которые повсеместно встречаются в реальном мире, но также демонстрируют потенциальные применения адаптивного захвата, основанного на тонкой хиральной локализации.

Формирование морфологического паттерна в масштабе длины энергетически выгодно для тонкостенной живой материи, такой как фрукты1,2, овощи3, листья4,5,6, эмбрионы7, органы8, опухоли9 и мозг10, где спонтанное нарушение симметрии во время роста или обезвоживания обычно считается решающий фактор в их сложной топографии морщин6,11,12. Например, пыльцевые зерна цветков покрытосеменных самоскладываются при воздействии сухой среды, чтобы предотвратить дальнейшее высыхание13. Остаточный стресс, вызванный ростом, накапливается во время прогрессирования опухоли, вызывая глобальный коллапс кровеносных и лимфатических сосудов, что делает сосудистую доставку противораковых препаратов неэффективной9. Нарушение симметрии в развивающихся моделях морщин во время развития мозга приводит к разнице в толщине между извилинами и бороздами, что тесно связано с нарушениями нервного развития, такими как лиссэнцефалия, полимикрогирия, расстройства аутистического спектра и шизофрения14. С точки зрения практического использования нарушение симметрии при формировании структуры морфологии поверхности находит все более широкое применение в различных областях, таких как микро/нанопроизводство гибких электронных устройств15,16, самоочистка и защита от обрастания поверхности17, синтетические маскировочные шкуры18 , мягкие приводы, изменяющие форму19, и адаптивное управление аэродинамическим сопротивлением20. Точное предсказание, контроль и манипулирование морфологией обратимой нестабильности будут иметь ключевое значение для соответствующих приложений.

Предыдущие работы3,12,21,22,23 по формированию морфологического рисунка в напряженных сферических ядрах-оболочках, типичной структуре, повсеместно присутствующей в природе и промышленных технологиях, продемонстрировали множество интригующих топографий, таких как ямочки, бакибол и лабиринт. Здесь мы сообщаем о топографии киральной нестабильности в сферах ядро-оболочка. Мы заметили, что засыхающая маракуйя (Passiflora edulia Sims) первоначально сгибается в периодический рисунок баки-болла, состоящий из шестиугольников и пятиугольников, затем развивается в хиральный режим и образует интригующие хиральные топологические сети при чрезмерном сжатии (рис. 1). Вдохновленные этим природным явлением, мы исследовали, как теоретически, так и экспериментально, формирование морфологического паттерна и эволюцию сильно деформированных сфер ядро-оболочка, особенно появление кирального паттерна и сетей киральных гребней с нарушением симметрии на продвинутой бифуркации. Мы создали математическую модель и закон масштабирования для отражения киральной нестабильности сфер ядро-оболочка и исследовали потенциальное применение адаптивной к возмущениям киральной локализации.