Instabilidade topográfica quiral em esferas encolhendo

Nature Computational Science volume 2, páginas 632–640 (2022)Cite este artigo

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Muitas estruturas biológicas exibem intrigantes padrões morfológicos adaptados a pistas ambientais, que contribuem para suas importantes funções biológicas e também inspiram designs de materiais. Aqui, relatamos uma topografia de enrugamento quiral em esferas de núcleo-casca encolhimento, como observado em maracujá excessivamente desidratado e demonstrado experimentalmente em núcleo-casca de silício sob extração de ar. Após a deformação por encolhimento, a superfície inicialmente se curva em um padrão buckyball (hexágonos e pentágonos periódicos) e depois se transforma em um modo quiral. Os padrões celulares quirais vizinhos podem interagir ainda mais uns com os outros, resultando em quebra de simetria secundária e na formação de dois tipos de rede topológica. Desenvolvemos um modelo core-shell e derivamos uma lei de escala universal para entender o mecanismo morfoelástico subjacente e para descrever e prever efetivamente tal quebra de simetria quiral muito além do limite de instabilidade crítica. Além disso, mostramos experimentalmente que a característica quiral adaptada à perturbação local pode ser aproveitada para capturar de forma eficaz e estável objetos de tamanho pequeno de várias formas e feitos de diferentes materiais rígidos e macios. Nossos resultados não apenas revelam topografias de instabilidade quiral, fornecendo informações fundamentais sobre a morfogênese da superfície das esferas núcleo-casca deformadas que são onipresentes no mundo real, mas também demonstram aplicações potenciais de apreensão adaptativa com base na localização quiral delicada.

A formação de padrão morfológico em escalas de comprimento é energeticamente favorável para matéria viva de paredes finas, como frutas1,2, vegetais3, folhas4,5,6, embriões7, órgãos8, tumores9 e cérebros10, onde a quebra espontânea de simetria durante o crescimento ou desidratação é normalmente considerada um fator crucial em sua complexa topografia enrugada6,11,12. Por exemplo, os grãos de pólen de flores de angiospermas exibem autodobramento quando expostos a um ambiente seco para evitar mais dessecação13. O estresse residual induzido pelo crescimento se acumula durante a progressão do tumor, levando ao colapso global dos vasos sanguíneos e linfáticos, o que torna ineficaz a administração vascular de drogas anticancerígenas9. A quebra de simetria na evolução dos padrões de rugas durante o desenvolvimento do cérebro resulta na diferença de espessura entre giros e sulcos, que está intimamente ligada a distúrbios do neurodesenvolvimento, como lissencefalia, polimicrogiria, distúrbios do espectro autista e esquizofrenia14. Em termos de uso prático, a quebra de simetria na formação de padrões de morfologia de superfície tem encontrado aplicações cada vez maiores em vários campos, como micro/nanofabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis15,16, autolimpeza de superfície e anti-incrustante17, peles sintéticas de camuflagem18 , atuadores macios que mudam de forma19 e controle de arrasto aerodinâmico adaptativo20. A previsão, controle e manipulação precisos de morfologias de instabilidade reversível seriam a chave para aplicações relevantes.

Trabalhos anteriores3,12,21,22,23 sobre a formação de padrões morfológicos em núcleos esféricos estressados, uma estrutura típica onipresente na natureza e nas tecnologias industriais, demonstraram uma variedade de topografias intrigantes, como modos de covinha, buckyball e labirinto. Aqui, relatamos uma topografia de instabilidade quiral em esferas core-shell. Observamos que um maracujá seco (Passiflora edulia Sims) inicialmente se dobra em um padrão buckyball periódico que consiste em hexágonos e pentágonos, evoluindo para um modo quiral e forma intrigantes redes topológicas quirais mediante encolhimento excessivo (Fig. 1). Inspirados por este fenômeno natural, exploramos, teórica e experimentalmente, a formação e evolução do padrão morfológico de esferas núcleo-concha altamente deformadas, especialmente a emergência de um padrão quiral e redes de cristas quirais com quebra de simetria na bifurcação avançada. Nós estabelecemos um modelo matemático e uma lei de escala para capturar a instabilidade quiral de esferas núcleo-casca e exploramos uma aplicação potencial de localização quiral adaptável à perturbação.