Vários anos atrás, uma equipe de físicos da Universidade de Stanford liderada por Aharon Kapitulnik estava tentando fazer crescer uma fina camada de cristal de bismuto em uma superfície metálica. Mas, em vez de formar uma folha uniforme, o cristal tornou-se uma colcha de retalhos de crescimento desigual. Em algumas áreas – aquelas onde a camada de cristal tinha apenas um átomo de espessura – surgiu um design impressionante. Pequenas listras preenchiam manchas irregulares, e essas regiões coladas umas contra as outras, suas listras orientadas em ângulos diferentes.
Kapitulnik não conseguia explicar as listras. Em seguida, em uma viagem de trabalho a Paris em 2017, ele os mostrou a Yuki Fuseya, um teórico da University of Electro-Communications em Chofu, Japão. “Isso é como uma zebra”, disse Fuseya a Kapitulnik. E se as listras fossem realmente como as de uma zebra, disse ele, poderiam ser um padrão de Turing.
A possibilidade foi uma surpresa. Inúmeros padrões na natureza, de listras de zebra a alucinações psicodélicas e ondulações varridas pelo vento na areia, são pensados para derivar de um mecanismo que Alan Turing propôs em 1952, entre seu famoso trabalho de quebra de códigos durante a Segunda Guerra Mundial e sua trágica morte em 1954. Este tipo de padrão desde então foi identificado no arranjo das bactérias, listras nas conchas do mar e até mesmo na distribuição dos assentamentos humanos. Essa lista cada vez maior inclui sistemas em escalas muito diferentes, de embriões a galáxias.
Mas as folhas de bismuto pareciam estar faltando alguns dos ingredientes essenciais dos padrões de Turing. O artigo de Turing descreveu um mecanismo teórico baseado em duas substâncias – um ativador e um inibidor que se difundem através de uma área em taxas diferentes. A interação entre esses dois “morfógenos”, como Turing os chamou, permite que um interrompa o efeito do outro – criando um padrão de linhas coloridas em um peixe tropical, por exemplo, em vez de uma cor sólida.
Mas, no caso do cristal de bismuto, não há difusão. As moléculas não mudam aleatoriamente e se espalham enquanto reagem umas com as outras. No entanto, Fuseya, Kapitulnik e vários colaboradores começaram a simular o crescimento do cristal de bismuto usando as equações de Turing. Depois de três anos, eles acabaram com um padrão simulado, publicado no mês passado na Nature Physics, que parecia quase idêntico às listras do cristal real. “Foi realmente uma partida incrível”, disse Kapitulnik. Isso o convenceu de que o mecanismo de Turing era de fato responsável pelas listras no bismuto. E demonstrou mais uma vez o quão robusto e poderoso era o insight original de Turing.
Aqui, o processo de formação de faixa é impulsionado pelas forças em jogo entre os átomos de bismuto e o metal abaixo. Os átomos de bismuto querem se encaixar em pontos específicos da estrutura molecular do metal. Mas esses pontos estão mais próximos do que os átomos de bismuto acham confortável. Como uma fotografia que é enfiada em um quadro que é muito pequeno para ela, a folha de átomos de bismuto se dobra. A cepa cria um padrão ondulado que deixa alguns átomos elevados, formando as listras. O deslocamento vertical – movimento para longe do plano do cristal – atua como o ativador nas equações de Turing, enquanto o deslocamento dentro do plano atua como o inibidor. Os morfógenos aqui são deslocamentos, não moléculas.
Os pesquisadores não foram os primeiros a usar variáveis não tradicionais em suas equações de Turing. De acordo com Andrew Krause, um matemático da Universidade de Oxford, os cientistas modelaram os padrões de Turing nas interações de predadores e presas, enquanto outros usaram células inteiras como variáveis. Mas ele nunca viu um modelo usando deslocamento antes.
Embora o bismuto não se difundisse ou reagisse da maneira que Turing imaginava, o artigo demonstrou que o cristal apresentava o mesmo comportamento de um padrão de Turing, disse Irving Epstein, químico da Brandeis University. “Quanto mais eu leio, na verdade, mais eu gosto”, disse ele. As descobertas sugerem que esta versão do mecanismo de formação de padrões de Turing pode surgir em mais sistemas do que os cientistas normalmente consideram.
As listras de bismuto contrastam com outros padrões de Turing de outra maneira: elas são minúsculas, cada uma com cerca de 1 nanômetro de largura, ou 10 milionésimos da largura de um cabelo humano. “A escala é muito importante aqui”, disse Epstein. “O fato de você estar vendo esses padrões em uma escala que é um milhão de vezes menor do que o tipo de distância que se vê em padrões químicos e biológicos, é impressionante.”
As equações de Turing também podem governar o crescimento em pequena escala de outros cristais. Desde a publicação do trabalho, Fuseya diz que ouviu de cientistas que estão identificando padrões de Turing em seus próprios materiais. “Os experimentalistas já enxergam esse padrão, mas nunca perceberam que esse é o mesmo mecanismo dos peixes tropicais”, disse ele. “Espero que em outros materiais veremos as mesmas propriedades.”
As propriedades dos padrões de Turing incluem mais do que apenas sua forma. Quando parte de um padrão de Turing é eliminado, ele volta a crescer. Você pode não presumir que materiais inorgânicos como cristais de bismuto seriam capazes de se curar como os animais, disse Fuseya, mas, na verdade, o cristal de bismuto simulado de sua equipe foi capaz de se consertar. Kapitulnik não testou o bismuto real ainda, mas a robustez do crescimento do cristal e a forma como as regiões vizinhas se encontraram e cresceram sugeriram a ele que o material seria capaz de corrigir interrupções no padrão.
Os pesquisadores notaram que o novo conhecimento obtido do bismuto pode ser útil na engenharia de microdispositivos, que requerem componentes microscópicos. Kapitulnik está especialmente interessado em testar esse padrão em materiais como o estanho, que é amplamente usado em supercondutores. E se o mesmo mecanismo se aplica a outros materiais na escala atômica, então ele pode revelar como manipular o crescimento do cristal. “Freqüentemente, esse tipo de desenvolvimento de técnica pode se infiltrar e se tornar algo totalmente diferente”, disse Krause.
Publicado em 12/08/2021 11h13
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