?

1952年，計算機科學與人工智能之父圖靈提出：某些重復的自然圖案可能是由兩種特定物質（分子、細胞等）通過“反應-擴散”的過程相互作用產生。在該系統(tǒng)中，一種物質促進反應的發(fā)生（激活劑），另一種物質抑制反應的進行（抑制劑），兩者相遇后反應擴散。在均相體系中一般不會產生圖案，但當兩者的擴散系數(shù)差異達到一定程度時，激活劑和抑制劑這兩種物質之間的高擴散比會導致系統(tǒng)失穩(wěn)，誘導周期性復雜圖案的形成。

“圖靈結構”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-擴散”的結果（圖1）。然而，在化學體系中構建圖靈結構難度很大，這主要是因為在大部分化學系統(tǒng)中，物質的擴散系數(shù)差異性小，不滿足圖靈結構形成的要求，即激活劑的擴散速度要比抑制劑小許多。直到上世紀90年代，法國科學家才基于“反應-擴散”機理在“亞氯酸鹽—碘—丙二酸反應”中構建出圖靈圖案。

圖1.自然界中各種圖靈圖案：（a）河豚，（b）斑馬，（c）貝殼。

圖片來自網(wǎng)絡。

近日，中國科學技術大學高敏銳教授研究組利用“反應-擴散”的機制，首次實現(xiàn)了在無機過渡金屬硫族化合物上圖靈結構的構筑。在二乙烯三胺(DETA)與水的二元溶液中，Ag+會和DETA發(fā)生絡合反應形成Ag(DETA)+，其擴散系數(shù)為3.518×10-6cm2s-1。同時，Co2+從二硒化鈷（CoSe2）納米帶表面溢出，其擴散系數(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散的Ag(DETA)+到達CoSe2表面的能斯特層（Nernst layer）時，與擴散到CoSe2表面的激活劑Co2+發(fā)生作用，最終在CoSe2表面形成復雜美麗的Ag2Se圖靈圖案（圖2）。相關研究成果以“An Efficient Turing-Type Ag2Se-CoSe2Multi-Interfacial Oxygen-Evolving Electrocatalyst”為題發(fā)表在《德國應用化學》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60,doi.org/10.1002/anie.202017016），并被選為Hot Paper和Back Cover（圖3）。論文的共同第一作者為中科大博士研究生張曉隆和楊朋朋。

圖2.“反應-擴散”過程驅動復雜無機“圖靈”結構形成。

圖3.該工作被選為Back Cover論文。

研究發(fā)現(xiàn)，這種多界面的圖靈結構Ag2Se-CoSe2材料是一種高效的氧氣進化（OER）電催化劑，僅需要221 mV的過電壓即可實現(xiàn)10 mA cm-2的產氧電流密度，其陽極析氧效率為84.5%。實驗表明，Ag2Se-CoSe2的OER活性與圖靈結構的界面長度呈線性相關，豐富的界面結構和界面結構處優(yōu)化的OER中間體吸附能是其高活性的主要原因。

該研究運用“反應-擴散”理論，首次在無機納米結構材料上構筑復雜的圖靈結構，同時為設計更高性能的廉價催化劑提供新思路。

相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研究與開發(fā)計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202017016

封面鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101543

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）