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Musterbildung: Turing findet sich auch in der Nanowelt

Computerpionier Alan Turing beschrieb auch das Prinzip, nach dem Zebrastreifen und ähnliche Muster entstehen. Es könnte Selbstorganisation im Nanomaßstab erlauben.
Zebrastreifen

Dieselben Prozesse, durch die bei einem Zebra die Streifen entstehen, können auch in der Nanowelt Muster erzeugen. Das legt jedenfalls die Computersimulation eines polnisch-dänischen Forscherteams nahe. Die Wissenschaftler um Piotr Dziekan von der polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau haben dazu die Entstehung dieser so genannten Turing-Muster im Maßstab von wenigen Nanometern, also milliardstel Metern, untersucht.

Im Jahr 1952 hatte der vor allem als Computerpionier bekannt gewordene britische Forscher Alan Turing ein besonderes Prinzip der Morphogenese beschrieben, das in biologischen Systemen periodische Streifenmuster hervorruft. Es beruht auf der Interaktion zweier Chemikalien. Beide breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus und interagieren dabei miteinander: Die eine Substanz ändert beispielsweise die Fellfarbe, sobald sie eine bestimmte Konzentration überschreitet, die andere wiederum tritt als Inhibitor auf und verringert die Konzentration des ersten Stoffs. Eine derartige Musterbildung steckt hinter zahlreichen Entwicklungsprozessen in der Biologie.

Turing-Muster in der Nanowelt
Simulierte Turing-Muster in der Nanowelt | Die Abfolge der roten und grünen Streifen entsteht durch die Interaktion zweier Stoffe, die jeweils unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten aufweisen. Die Computersimulation ergab, dass dieser Mechanismus auch im Bereich von Nanomtern noch funktioniert.

Die Forscher hatten allerdings zunächst bezweifelt, dass sich dieser Prozess auch in Nanometerdimensionen abspielen könne. Sie vermuteten, dass bei Größenordnungen unter einem Mikrometer die Zufallsbewegungen einzelner Moleküle überhand nehmen und eine Streifenbildung verhindern würden. Doch ihre Simulationen der Moleküldynamik zweier Modellsubstanzen ergaben ein anderes Bild: Sogar auf der Längenskala von 20 Molekülen war noch eine Streifenbildung möglich. Der Mechanismus erwies sich als überraschend stabil gegenüber den Zufallsschwankungen.

Laut den Wissenschaftlern eröffne diese Einsicht gänzlich neue Möglichkeiten bei der Nanostrukturierung von Oberflächen mit Hilfe von Selbstorganisation. Durch geschickte Auswahl von Reagenzien könnten sich zahlreiche Muster produzieren lassen, die einer Oberfläche maßgeschneiderte Eigenschaften verleihen.

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