Природа любит геометрию: полосы тигра, спирали цветов, уникальные отпечатки пальцев. Но если присмотреться, большинство этих узоров — асимметричны. Почему? Оказывается, всему виной «нарушение симметрии» — процесс, который возникает, например, когда жидкость испаряется и оставляет за собой хаотичные следы.

Ученые давно изучали это явление математически, но реальных экспериментов, показывающих, как именно оно работает, не хватало.

Недавно исследователи из Японии под руководством Косуке Океёши и Тхи Ким Лок Нгуен раскрыли механизм этого явления на примере испаряющегося полимерного раствора. Их работа, опубликованная в Advanced Science, объясняет, почему при испарении вязких жидкостей (например, растворов хитозана) образуются асимметричные узоры.

Как это происходит

Когда полимерный раствор высыхает в узком пространстве, его поверхность не раскалывается ровно. Вместо этого в случайных местах появляются «точки разрыва» — как трещины на высохшей грязи. Эти разрывы возникают хаотично, и их положение зависит от ширины сосуда и свойств жидкости.

Ученые обнаружили:

• При разделении на две части разрывы чаще смещены от центра.
• При разделении на три части положение второго разрыва влияет на всю структуру.
• Расстояние между разрывами связано с капиллярной длиной (примерно 5 мм для хитозана).

Этот процесс напоминает формирование узоров в живой природе — от листьев до отпечатков пальцев.

Наше исследование связывает теорию с реальностью, — говорит Океёши.

Результаты помогут не только понять природу, но и улучшить создание полимерных материалов.

Этот эксперимент объясняет, как в природе возникают сложные узоры без строгой симметрии. Понимание этих механизмов поможет:

• В материаловедении — создавать полимерные покрытия с заданными свойствами.
• В биологии — моделировать рост тканей и формирование органов.
• В метеорологии — предсказывать образование структур в облаках.
• В технологиях печати — контролировать высыхание чернил.

Фактически, это шаг к управлению хаосом.

Однако хотя исследование впечатляет, оно ограничено лабораторными условиями. В природе на процесс влияет множество факторов: ветер, примеси, перепады температуры. Эксперимент с одним полимером в контролируемой среде — лишь упрощенная модель. Нужны дополнительные исследования, чтобы понять, как эти механизмы работают в реальном мире.

Ранее ученые создали устройство, нарушающее симметрию физических законов.