از اواسط دهه 1600، شیمیدانان مجذوب ساختارهای مرجانی مانند رنگی بودند که از مخلوط کردن نمک های فلزی در یک بطری کوچک تشکیل می شود. تا به حال، محققان قادر به مدل سازی نحوه عملکرد این ساختارهای لوله ای ساده فریبنده – به نام باغ های شیمیایی – و الگوها و قوانین حاکم بر شکل گیری آنها نبوده اند.
در مقاله‌ای که این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، محققان دانشگاه ایالتی فلوریدا مدلی را ارائه کردند که توضیح می‌دهد چگونه این ساختارها به سمت بالا رشد می‌کنند، شکل‌های متفاوتی ایجاد می‌کنند و چگونه از یک ماده انعطاف‌پذیر و خود ترمیم شونده به یک ماده تبدیل می‌شوند. شکننده
الیور اشتاین باک، پروفسور شیمی و بیوشیمی FSU، گفت: «در زمینه مواد، بسیار جالب است. “آنها مانند کریستال رشد نمی کنند. یک کریستال گوشه های تیز خوبی دارد و لایه به اتم اتم رشد می کند. و هنگامی که سوراخی در یک باغ شیمیایی رخ می دهد، خود ترمیم می شود. اینها واقعاً گام های اولیه در یادگیری چگونگی ساخت موادی هستند که می توانند خود را دوباره پیکربندی و تعمیر کنند.”
به طور معمول، باغ های شیمیایی زمانی تشکیل می شوند که ذرات نمک فلزی در محلول سیلیکات قرار می گیرند. نمک حل شونده با محلول واکنش می دهد تا غشای نیمه تراوا ایجاد کند که به سمت بالا در محلول بیرون می زند و ساختاری شبیه به مرجان ایجاد می کند.
دانشمندان باغ های شیمیایی را برای اولین بار در سال 1646 مشاهده کردند و برای سال ها مجذوب شکل های جالب آنها بودند. شیمی مربوط به تشکیل دریچه های گرمابی و خوردگی سطوح فولادی است که در آن لوله های نامحلول می توانند تشکیل شوند.
اشتاین باک گفت: «مردم متوجه شدند که اینها چیزهای عجیبی هستند. آنها سابقه بسیار طولانی در شیمی دارند. این بیشتر شبیه یک آزمایش نمایشی شد، اما در 10-20 سال گذشته، دانشمندان دوباره به آنها علاقه مند شدند.
الهام برای مدل ریاضی توسعه یافته توسط Steinbock، همراه با محقق فوق دکتری برونو باتیستا و دانشجوی فارغ التحصیل آماری موریس، از آزمایشاتی نشأت می گیرد که به طور پیوسته یک محلول نمک را به حجم بیشتری از محلول سیلیکات بین دو صفحه افقی تزریق می کردند. اینها حالت‌های رشد متمایز را نشان می‌دهند و اینکه مواد به عنوان کشدار شروع می‌شوند، اما با بالا رفتن سن، مواد سفت‌تر می‌شوند و تمایل به شکستن دارند.
محصور شدن بین دو لایه به محققان این امکان را می‌دهد تا تعدادی الگوی شکل مختلف را شبیه‌سازی کنند که برخی شبیه گل، مو، مارپیچ و کرم هستند.
محققان در مدل خود توضیح دادند که چگونه این الگوها در طول توسعه باغ شیمیایی پدیدار می شوند. محلول‌های نمک می‌توانند در ترکیب شیمیایی بسیار متفاوت باشند، اما مدل آنها جهانی بودن شکل‌گیری را توضیح می‌دهد.
به عنوان مثال، الگوها می توانند از ذرات سست، غشاهای تا شده یا رشته های خود گشاد شونده تشکیل شوند. این مدل همچنین مشاهداتی را تأیید کرد که غشاهای تازه در پاسخ به ریزشاخ‌ها گسترش می‌یابند و قابلیت‌های خود ترمیمی مواد را نشان می‌دهد.
باتیستا گفت: «خوبی که به دست آوردیم این است که به ماهیت آنچه برای توصیف شکل و رشد باغ های شیمیایی نیاز است وارد شدیم.