從DNA到太陽系的軌道排列，自組織圖案無處不在。自組織圖案在物理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域備受關(guān)注。非平衡系統(tǒng)會自發(fā)形成多種時空有序分布的斑圖。以往報道的多數(shù)化學(xué)體系的自組織斑圖均在溶液環(huán)境中形成。

近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜與王倩團(tuán)隊，在研究鎵基液態(tài)金屬與固體金屬膜表面的相互作用與反應(yīng)問題時，首次揭示了一系列液態(tài)金屬自組織斑圖形成現(xiàn)象與演化機(jī)制。該研究構(gòu)建的液態(tài)金屬-固體金屬非平衡擴(kuò)散體系，開拓了自組織微觀圖案產(chǎn)生的新途徑。上述關(guān)于金屬表面斑圖的基礎(chǔ)認(rèn)識，有望在未來的材料、光學(xué)、電子、半導(dǎo)體、能源及催化等領(lǐng)域促成新的應(yīng)用。?

研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在固體金屬表面的擴(kuò)散失穩(wěn)可產(chǎn)生圖靈斑圖。1952年，艾倫·圖靈提出，在非平衡條件下，兩種成形素的反應(yīng)擴(kuò)散過程可以誘發(fā)斑點(diǎn)、條帶、迷宮等一系列自組織斑圖的形成。構(gòu)建圖靈系統(tǒng)有一些基本要求，即系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)，包含自催化或自阻滯過程，且阻滯子的擴(kuò)散速率應(yīng)遠(yuǎn)快于激活子，從而滿足短程激活和長程抑制的要求。最簡單的構(gòu)造方法是選擇兩種擴(kuò)散系數(shù)區(qū)別足夠大的物質(zhì)，但這在傳統(tǒng)的化學(xué)溶液體系中很難實(shí)現(xiàn)。這是由于多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)均在同一個數(shù)量級（~10-5 cm2s-1）。鎵基液態(tài)金屬可以與一系列固體金屬發(fā)生溶解、合金化、反應(yīng)、擴(kuò)散等相互作用，且不同金屬之間的擴(kuò)散機(jī)制以及擴(kuò)散激活能不同、擴(kuò)散系數(shù)也存在本征區(qū)別。該團(tuán)隊提出了在液態(tài)金屬-固體金屬（GaX-Y）非平衡反應(yīng)-擴(kuò)散體系中獲得迷宮、條帶、斑點(diǎn)等穩(wěn)態(tài)圖靈圖案的普適性機(jī)制，并以GaIn-Ag體系為例，進(jìn)行了概念驗證和理論研究，揭示了活化子In和阻滯子Ga的協(xié)同作用機(jī)制，闡釋了反應(yīng)物濃度和外界溫度對斑圖演化的調(diào)控機(jī)理。相關(guān)成果以Turing Instability of Liquid-Solid Metal Systems為題，在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。?

此外，該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬在金膜表面出現(xiàn)的Liesegang現(xiàn)象。Liesegang斑圖是指時空有序的周期性環(huán)帶結(jié)構(gòu)。環(huán)帶的時空分布通常滿足時間定律、寬度定律和間距定律。圖案形成的特征：時間尺度通常是數(shù)天，空間尺度平均為數(shù)厘米。該工作發(fā)現(xiàn)了液態(tài)金屬在金膜表面可以自組織形成時空有序分布的微米級Liesegang圖案，并對其微觀作用機(jī)制和調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗揭示和理論探究。在反應(yīng)擴(kuò)散、潤濕鋪展、氧化膜限制的協(xié)同作用下，反應(yīng)產(chǎn)物通過在界面處的競爭形核行為，實(shí)現(xiàn)了斑圖的自組織。該工作開啟了液態(tài)金屬與固體金屬自組織反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)的研究，并對液態(tài)金屬在印刷電子、柔性機(jī)器等領(lǐng)域中應(yīng)用時面臨的可靠性問題提出了新的研究策略。相關(guān)成果作為內(nèi)封面故事，以Liesegang phenomenon of liquid metals on Au film為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。?

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和北京市科學(xué)技術(shù)委員會的支持。