1952年，計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能之父圖靈提出：某些重復(fù)的自然圖案可能由兩種特定物質(zhì)（分子、細(xì)胞等）通過“反應(yīng)-擴(kuò)散”的過程相互作用產(chǎn)生的。在該系統(tǒng)中，一種物質(zhì)促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生（激活劑），另一種物質(zhì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行（抑制劑），兩者相遇后反應(yīng)擴(kuò)散。在均相體系中一般不產(chǎn)生圖案，但當(dāng)兩者的擴(kuò)散系數(shù)差異達(dá)到一定程度時(shí)，激活劑和抑制劑這兩種物質(zhì)之間的高擴(kuò)散比會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，誘導(dǎo)周期性復(fù)雜圖案的形成。

“圖靈結(jié)構(gòu)”在自然界中廣泛存在。例如：斑馬、海魚、河豚、貝殼體表的圖紋、風(fēng)中黃沙波紋、蕨類植物葉片、向日葵葉序和小鼠的毛囊間距乃至毛發(fā)的密度等均為“反應(yīng)-擴(kuò)散”的結(jié)果（圖1）。然而，在化學(xué)體系中構(gòu)建圖靈結(jié)構(gòu)難度很大，主要因?yàn)樵诖蟛糠只瘜W(xué)系統(tǒng)中，物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)差異性小，不滿足圖靈結(jié)構(gòu)形成的要求，即激活劑的擴(kuò)散速度比抑制劑小許多。直到上世紀(jì)90年代，法國科學(xué)家才基于“反應(yīng)-擴(kuò)散”機(jī)理在“亞氯酸鹽—碘—丙二酸反應(yīng)”中構(gòu)建出圖靈圖案。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授高敏銳研究組利用“反應(yīng)-擴(kuò)散”的機(jī)制，首次實(shí)現(xiàn)了在無機(jī)過渡金屬硫族化合物上圖靈結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。在二乙烯三胺(DETA)與水的二元溶液中，Ag⁺和DETA發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成Ag(DETA)⁺，其擴(kuò)散系數(shù)為3.518×10^-6cm²s^-1。同時(shí)，Co²⁺從二硒化鈷（CoSe₂）納米帶表面溢出，其擴(kuò)散系數(shù)為2.317×10^-7cm²s^-1。因此，在該系統(tǒng)中，Ag(DETA)+是抑制劑而Co2+是激活劑?？焖贁U(kuò)散的Ag(DETA)+到達(dá)CoSe₂表面的能斯特層（Nernst layer）時(shí)，與擴(kuò)散到CoSe₂表面的激活劑Co²⁺發(fā)生作用，最終在CoSe₂表面形成復(fù)雜美麗的Ag2Se圖靈圖案（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，這種多界面的圖靈結(jié)構(gòu)Ag₂Se-CoSe₂材料是一種高效的氧氣進(jìn)化（OER）電催化劑，僅需要221 mV的過電壓即可實(shí)現(xiàn)10 mA cm^-2的產(chǎn)氧電流密度，其陽極析氧效率為84.5%。實(shí)驗(yàn)表明，Ag₂Se-CoSe₂的OER活性與圖靈結(jié)構(gòu)的界面長度呈線性相關(guān)，豐富的界面結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)處優(yōu)化的OER中間體吸附能是其高活性的主要原因。該研究運(yùn)用“反應(yīng)-擴(kuò)散”理論，首次在無機(jī)納米結(jié)構(gòu)材料上構(gòu)筑復(fù)雜的圖靈結(jié)構(gòu)，并且為設(shè)計(jì)更高性能的廉價(jià)催化劑提供新思路。

相關(guān)研究成果以An Efficient Turing-Type Ag₂Se-CoSe₂ Multi-Interfacial Oxygen-Evolving Electrocatalyst為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上，并被選為Hot Paper和Back Cover（圖3）。論文共同第一作者為中國科大博士研究生張曉隆和楊朋朋。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃等的資助。

論文鏈接

　　圖1.自然界中各種圖靈圖案，從左至右依次為河豚、斑馬、貝殼。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

圖2.“反應(yīng)-擴(kuò)散”過程驅(qū)動復(fù)雜無機(jī)“圖靈”結(jié)構(gòu)形成。

圖3.該工作被選為Back Cover論文