수축하는 구체의 키랄 지형학적 불안정성

Nature Computational Science 2권, 632~640페이지(2022)이 기사 인용

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많은 생물학적 구조는 환경 신호에 적응된 흥미로운 형태학적 패턴을 나타내며, 이는 중요한 생물학적 기능에 기여하고 재료 설계에 영감을 줍니다. 여기에서는 과도하게 탈수된 패션프루트에서 관찰되고 공기 추출 하에서 실리콘 코어-쉘에서 실험적으로 입증된 수축하는 코어-쉘 구체의 키랄 주름 지형을 보고합니다. 수축 변형 시 표면은 초기에 버키볼 패턴(주기적인 육각형 및 오각형)으로 휘어졌다가 키랄 모드로 변환됩니다. 인접한 키랄 세포 패턴은 서로 더 상호 작용하여 2차 대칭이 깨지고 두 가지 유형의 위상 네트워크가 형성될 수 있습니다. 우리는 기본 형태탄성 메커니즘을 이해하고 중요한 불안정성 임계값을 훨씬 뛰어 넘는 키랄 대칭성을 효과적으로 설명하고 예측하기 위해 코어-쉘 모델을 개발하고 보편적인 스케일링 법칙을 도출합니다. 또한, 우리는 국부적인 섭동에 적응된 키랄 특성을 활용하여 다양한 모양의 작은 크기의 물체를 효과적이고 안정적으로 잡을 수 있으며 서로 다른 단단하고 부드러운 재료로 만들어질 수 있음을 실험적으로 보여줍니다. 우리의 결과는 키랄 불안정성 지형을 밝혀 현실 세계에서 흔히 볼 수 있는 변형된 코어-쉘 구의 표면 형태 형성에 대한 근본적인 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 섬세한 키랄 위치 파악을 기반으로 적응형 파악의 잠재적인 적용을 보여줍니다.

길이 규모에 걸친 형태학적 패턴 형성은 과일1,2, 야채3, 잎4,5,6, 배아7, 기관8, 종양9 및 뇌10와 같은 얇은 벽의 생명체에 에너지적으로 유리하며, 여기서 성장 또는 탈수 중 자발적인 대칭 파괴는 일반적으로 다음과 같은 것으로 간주됩니다. 복잡한 주름 지형에서 중요한 요소입니다6,11,12. 예를 들어, 속씨식물 꽃의 꽃가루 알갱이는 건조한 환경에 노출되면 추가 건조를 방지하기 위해 자체 접힘을 나타냅니다13. 성장으로 인한 잔류 스트레스는 종양이 진행되는 동안 축적되어 혈액 및 림프관의 전반적인 좌굴 붕괴를 유발하여 항암제의 혈관 전달을 효과적이지 않게 만듭니다9. 뇌 발달 동안 진화하는 주름 패턴의 대칭성 깨짐은 뇌회와 고랑 사이의 두께 차이를 초래하며, 이는 순뇌증, 다소뇌회증, 자폐증 스펙트럼 장애 및 정신분열증과 같은 신경 발달 장애와 밀접하게 연관되어 있습니다. 실제 사용 측면에서 표면 형태 패턴 형성의 대칭 파괴는 유연한 전자 장치의 마이크로/나노 제조15,16, 표면 자가 세척 및 오염 방지17, 합성 위장 스킨18과 같은 다양한 분야에서 점점 더 많은 응용 분야를 발견했습니다. , 형태 변형 소프트 액츄에이터19 및 적응형 공기 역학적 항력 제어20. 가역적 불안정 형태의 정확한 예측, 제어 및 조작은 관련 응용 분야의 핵심입니다.

자연과 산업 기술에 편재하는 전형적인 구조인 응력 구형 코어-쉘의 형태학적 패턴 형성에 대한 이전 연구3,12,21,22,23는 딤플, 버키볼 및 미로 모드와 같은 다양하고 흥미로운 지형을 보여주었습니다. 여기서는 코어-쉘 구체의 키랄 불안정 지형을 보고합니다. 우리는 건조 패션프루트(Passiflora edulia Sims)가 처음에 육각형과 오각형으로 구성된 주기적인 버키볼 패턴으로 구부러져 키랄 모드로 진화하고 과도한 수축 시 흥미로운 키랄 토폴로지 네트워크를 형성하는 것을 관찰했습니다(그림 1). 이 자연 현상에서 영감을 받아 우리는 형태학적 패턴 형성과 고도로 변형된 코어-쉘 구체의 진화, 특히 고급 분기점에서 대칭이 깨지는 키랄 패턴 및 키랄 능선 네트워크의 출현을 이론적으로나 실험적으로 탐구했습니다. 우리는 코어-쉘 구체의 키랄 불안정성을 포착하기 위해 수학적 모델과 스케일링 법칙을 확립하고 섭동 적응 키랄 위치 파악의 잠재적인 적용을 탐구했습니다.