Специально разработанная система, называемая системой H-образного диэлектрического барьерного разряда, производит нити разрядной плазмы, которые могут принимать широкий диапазон рисунков — в трехмерном изображении. Изучая и математически моделируя такие закономерности, исследователи могут исследовать, какие сложные механизмы могут создавать разнообразные конструкции природы.«Установка системы диэлектрического барьерного разряда для трехмерных рисунков должна значительно продвинуть науку о формировании рисунков», — сказал Лифанг Донг, профессор Университета Хэбэй в Китае.
Более 60 лет назад Алан Тьюринг предложил простую математическую модель, названную моделью реакции-диффузии, которая соответствует изменению в пространстве и времени концентрации одного или нескольких химических веществ, чтобы объяснить закономерности природы. Модель предполагает, что по мере распространения двух взаимодействующих химических веществ они могут образовывать полосы, пятна или другие узоры.
С тех пор ученые использовали эту модель реакции-диффузии для объяснения ряда закономерностей, таких как пятна леопарда, расположение почек у цыплят, волосяные фолликулы у мышей и даже выступы на крыше рта эмбрионов мыши.Однако одним из основных ограничений является то, что большинство этих исследований ограничивались одномерными или двумерными экспериментами. На молекулярном уровне закономерности природы трехмерны.
Но, по словам Донга, создавать трехмерные модели непросто. Первый трехмерный эксперимент был проведен только в 2011 году, когда исследователи из Университета Брандейса использовали химические реакции для создания закономерностей с помощью модели реакции-диффузии Тьюринга. Однако система диэлектрического барьерного разряда, которую Донг и ее коллеги описывают на этой неделе в журнале Physics of Plasmas из публикации AIP, имеет несколько преимуществ, сказала она.Эта система может не только создавать самые разные узоры, но и четкие и легко визуализируемые.
Вы можете детально исследовать, как паттерны меняются как в пространстве, так и во времени. В то время как эксперименты с жидкостями или химическими веществами могут занять часы или дни, чтобы создать образцы, система диэлектрического барьерного разряда делает это за секунды.Экспериментальная система производит плазму — электрически заряженный воздух и газ аргон — которая выходит через несколько промежутков.
При взгляде сбоку зазоры образуют Н-образную форму. Когда исследователи изменяют определенные свойства устройства, такие как напряжение, нити разрядной плазмы образуют различные трехмерные структуры в зазорах.
Затем высокоскоростная камера может записывать изменения переходных форм со временем.Исследователи уже создали несколько моделей, которые можно было наблюдать в природе в предыдущей системе диэлектрического барьерного разряда с одним газовым зазором. Например, они воссоздали характерный узор пятен и полос 13-линейного суслика.
Физические эксперименты показывают, что за закономерностью могут стоять сложные механизмы, а не простые уравнения реакции-диффузии Тьюринга.Эти узорчатые плазмы нужны не только для биологии. По словам Донга, они потенциально могут быть использованы при разработке перестраиваемых фотонно-кристаллических устройств, которые могут использоваться в качестве компонентов для телекоммуникационных систем, таких как микроволновые фильтры, оптические переключатели и волноводы.
Фотонно-кристаллические устройства управляют и направляют свет, обычно полагаясь на массив материалов с разными показателями преломления, которые помогают направлять световой луч. Но, создавая вместо этого образцы плазменных нитей, которые можно настраивать и модифицировать, исследователи могут настроить устройства для работы именно так, как это необходимо.