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第270話：從熱帶魚斑紋到奈米材料

從熱帶魚、斑馬、長頸鹿、獵豹身上的花紋，我們可以學會什麼？答案是…

能自我修復的奈米材料！

這也差太多了吧，感覺像是八竿子打不上的東西…將「生物體表的花紋」與「奈米材料的特性」連上關係的，是二次大戰時破解納粹德軍密碼的電腦科學先驅艾倫‧圖靈（Alan Turing, 1912-1954）。

在生命科學進展神速的當下，問起上述那些動物的體表為何會長出那樣「亂中有序、序中有亂」的花紋，大部分人的直覺應該是「啊就基因決定的嘛！」確實，生物體的性狀，多半是來自基因的傑作，不過圖靈有更簡單的想法：要形成圖案，至少得要有兩種顏色，要在體表不同位置呈現不同顏色，一定有至少兩種化學物質的分布是對應體表顏色的分布位置。既然是「生物體內的化學物質」，會做的就是兩件事：擴散以及反應。

在此理論基礎下，圖靈寫下了著名的「反應—擴散方程式」（reaction-diffusion equation），調控兩種化學物質各自的擴散以及反應速率，就可以讓這兩種化學物質在平面上排列出各種有趣的圖形，包含上述那些我們生物體表上常見的結構，後來我們就把這類圖案稱為「圖靈模式」（Turing pattern）。

1952年圖靈把這個理論寫成題為「型態發生的化學基礎」（The Chemical Basis of Morphogenesis）的論文發表，比華生與克里克發表DNA雙螺旋結構早了一年。這個理論成為目前我們理解生物圖案形成的基礎。2006年，中興大學物理系的廖思善教授也發表了以此理論為基礎，研究了豹身上的花紋如何隨年齡增長而變化的論文，Nature還專文報導了這個研究。

圖靈在對生物學瞭解不多的情況下，能夠直指核心提出這個理論，真的是很厲害。

講了半天都是生物界的東西，跟奈米材料有什麼關係呢？

最近的物理界，「單層二維材料」正夯，最有名的明星材料，當然就是應用前景看好的石墨烯了，除此之外，科學家也嘗試製造其他的二維材料，想看看還有沒有什麼好玩又好用的性質。

日本電氣通訊大學（University of Electro-Communication）的伏屋雄紀教授團隊，嘗試在二硒化鈮（NbSe2）基板表面上長出鉍（Bi）的單層原子結構，長好後放進電子顯微鏡下一看：這不是跟熱帶魚表皮上一樣的「圖靈模式」圖案嗎？當然，由於是金屬原子的排列，條紋的部分比生物條紋平直許多，這些條紋以1.7奈米的間距排列，中間雜以Y字形的結構串接這些條紋。

研究團隊利用「鉍與硒的交互作用」以及「鉍與鈮的交互作用」建構了這個系統的「反應—擴散方程式」，模擬了鉍原子在基板上面的移動與排列情形，成功重現了實驗結果。

過去在自然界看到的「圖靈模式」尺度，大多落在0.1mm ~ 10cm 的範圍，這次是第一次在奈米尺度下看到，可見圖靈的這個方程式，可以適用在更廣的範圍。

更厲害的是，因為這個鉍原子層是以「自我組織」（self-organization）的方式長出來，所以如果施個外力把局部結構破壞，過一陣子又會自動恢復到原來的結構。這種自我組織、自我修復的特性，在未來的奈米材料科技中，可能會有很重要的應用。

比如說可以拿來製造惡魔鋼彈…

這個研究，發表於12月8日的「Nature Physics」（2020 影響係數 ＝ 20.034）。

最近有人在抱怨我們老是踩生物系的線，我還是這句老話：「生命宇宙與萬事萬物什麼都馬跟物理有關啦科科」。

電通大學新聞稿（2021/07/09）：https://www.uec.ac.jp/eng/news/announcement/2021/20210709_3528.html

Nature Physics論文（2021/07/08）：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01288-y