Los patrones abundan en la naturaleza, desde rayas de cebra y manchas de leopardo hasta panales y bandas de nubes. De alguna manera, estos patrones se forman y organizan por sí mismos. Para comprender mejor cómo, los investigadores ahora han creado un nuevo dispositivo que puede permitir a los científicos estudiar patronesen 3-D como nunca antes
El sistema especialmente diseñado, llamado sistema de descarga de barrera dieléctrica en forma de H, produce filamentos de plasma de descarga que pueden asumir una amplia gama de patrones, en 3-D. Al estudiar y modelar matemáticamente dichos patrones, los investigadores pueden explorar qué complejolos mecanismos pueden estar produciendo diversos diseños de la naturaleza.
"La creación de un sistema de descarga de barrera dieléctrica para patrones tridimensionales debería avanzar mucho en la ciencia de la formación de patrones", dijo Lifang Dong, profesor de la Universidad de Hebei en China
Hace más de 60 años, Alan Turing propuso un modelo matemático simple llamado modelo de reacción-difusión que corresponde al cambio en el espacio y el tiempo de la concentración de una o más sustancias químicas para explicar los patrones de la naturaleza. El modelo sugiere que como dosLas sustancias químicas que interactúan se extienden, podrían organizarse como rayas, manchas u otros diseños. Desde entonces, los científicos han utilizado este modelo de reacción-difusión para explicar una serie de patrones como las manchas de leopardo, la ubicación de los botones de plumas en los polluelos, los folículos pilosos en ratones yincluso las crestas en el techo de las bocas de embrión de ratón.
Sin embargo, una limitación importante es que la mayoría de estos estudios se limitaron a experimentos de una o dos dimensiones. A nivel molecular, los patrones de la naturaleza son tridimensionales.
Pero no es fácil hacer patrones tridimensionales, dijo Dong. El primer experimento tridimensional no llegó hasta 2011, cuando los investigadores de la Universidad de Brandeis utilizaron reacciones químicas para generar patrones con el modelo de reacción-difusión de Turing. Una barrera dieléctricasistema de descarga, sin embargo, que Dong y sus colegas describen esta semana Física de plasma , de la publicación AIP, tiene varias ventajas, dijo ella.
No solo este sistema puede producir una amplia variedad de patrones, los patrones también son claros y fáciles de visualizar. Puede investigar con gran detalle cómo varían los patrones en el espacio y el tiempo. Mientras que los experimentos basados en fluidos o químicos pueden llevar horaso días para hacer patrones, el sistema de descarga de barrera dieléctrica lo hace en segundos.
El sistema experimental produce plasma, aire cargado eléctricamente y gas argón, que se descarga a través de varios espacios. Visto desde un lado, los espacios forman una forma de H. Cuando los investigadores cambian ciertas propiedades del dispositivo, como el voltaje, los filamentos de plasma de descarga forman diferentes estructuras tridimensionales a través de los huecos. Una cámara de alta velocidad puede registrar los cambios de formas transitorias con el tiempo.
Los investigadores ya han producido varios patrones vistos en la naturaleza por un sistema anterior de descarga de barrera dieléctrica con espacio de gas único. Por ejemplo, han recreado el diseño distintivo de manchas y rayas de la ardilla terrestre de 13 líneas. Los experimentos de física sugieren mecanismos complejospuede estar detrás del patrón, y no las simples ecuaciones de reacción-difusión de Turing.
Estos plasmas estampados no son solo para biología. Pueden usarse potencialmente en el diseño de dispositivos de cristal fotónico sintonizables, que podrían usarse como componentes para sistemas de telecomunicaciones como filtros de microondas, interruptores ópticos y guías de onda, dijo Dong. Control de dispositivos de cristal fotónicoy canalizar la luz, que generalmente se basa en una variedad de materiales con diferentes índices de refracción que ayudan a dirigir el haz de luz. Pero al producir patrones de filamentos de plasma, que pueden ajustarse y modificarse, los investigadores pueden ajustar los dispositivos para que funcionen exactamente como sea necesario.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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