物理所表面應力工程研究為理解生物形貌多樣性提供普適性解釋
2008-12-10 來源：中國科學院
最近，中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家實驗室的曹則賢研究員與浙江理工大學的李超榮教授、美國哥倫比亞大學的陳希博士小組合作，通過表面應力工程研究為理解生物形貌多樣性提供了普適性解釋。該研究工作以“Stress-driven buckling patterns in spheroidal core/shell structures”為題發表在日前出版的《美國科學院院刊》上，Nature News為此作了專題報道。
應力是影響有機與無機世界里各種生長過程的重要因素，因此是生長與形態研究所必須考慮的關鍵因素。近年來，國際上關于應力驅動結構失穩在薄膜上引起的各種花樣的研究取得了許多重要的進展。這些研究對于理解各種花樣包括皺紋、材料斷裂、薄膜表面形貌提供了深入的認識。但是，在這些工作了所涉及的都是有開放邊界的曲面或平面，它們在拓撲學上都是虧格數為1的表面。對于虧格數為0的閉合曲面上的應力屈曲形態及其在理解自然方面的意義則鮮有涉及。
曹則賢、李超榮自2004年起研究曲面上的應力驅動自組裝。研究中發現應力屈曲花樣同系統的拓樸和幾何性質有密切的關系。最近，他們同陳希小組在先前工作的基礎上研究了旋轉橢球面上的皺褶模式隨應力過載、表皮相對厚度和形狀因子的變化規律，發現在給定的參數范圍內應力花樣是穩定的，而大范圍的參數改變則能重現大自然中的多種瓜果表面的形貌。相關的數值計算和利用無機材料得到的實驗結果有力地支持了葉序學的力學原理，指出許多瓜果形貌的變化是力學行為而非基因行為，此研究結果為理解生物形貌多樣性提供了新的視角。
此前的相關結果曾在Science 309, 909(2005)、APL 90，164102 (2007，封面)、APL 85，3570(2004，封面)、APL 93, 034108 (2008) 和 PRL 100,036102 (20008))上發表，Nature、New Scientists 等眾多國際知名雜志和科學網站也相繼進行了報道。
以上工作得到了國家自然科學基金委和國家民用航天項目的支持。
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（責任編輯：蔚藍）
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