佛罗里达州立大学的科学家们开发了一个数学模型，解释了化学花园的生长、图案形成和自我修复特性。这些见解可能会有助于自我修复材料的发展。自16世纪中期以来，化学家们一直对色彩鲜艳、类似珊瑚的结构着迷，这些结构通过在一个小瓶子里混合金属盐而形成。
佛罗里达州立大学化学教授Oliver Steinbock实验室制作的化学花园的例子
到目前为止，研究人员一直无法模拟这些被称为化学花园的看似简单的管状结构是如何工作的，以及支配其形成的模式和规则。
在本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，佛罗里达州立大学的研究人员阐述了一个模型，解释了这些结构如何向上生长，形成不同的形状，以及它们如何从一种灵活的、自我修复的材料变成一种更脆的材料。
"在材料方面，这非常有趣，"佛罗里达州立大学化学和生物化学教授奥利弗-斯坦博克说。"它们不像晶体那样生长。晶体有漂亮的尖角，并且是一个原子层一个原子层地生长。而当化学园地中出现空洞时，它是自我修复的。这些是学习如何制造能够自我重组和修复的材料的真正早期步骤。"
通常情况下，当金属盐颗粒被放入硅酸盐溶液中时，就会形成化学花园。溶解的盐与溶液发生反应，形成一个半透膜，在溶液中向上喷出，形成一个生物外观结构，类似于珊瑚。
科学家们在1646年首次观察到化学花园，多年来一直对其有趣的形成感到着迷。这种化学现象与热液喷口的形成和钢铁表面的腐蚀有关，在这些地方会形成不溶性管子。
"人们意识到这些是奇特的东西，"斯坦博克说。"它们在化学中有着非常悠久的历史。它变得更像一个示范实验，但在过去的10-20年里，科学家们又开始对它们感兴趣了。"
Steinbock与博士后研究员Bruno Batista和研究生Amari Morris一起开发的数学模型的灵感来自于将盐溶液稳定地注入两个水平板之间的更大体积的硅酸盐溶液的实验。这些实验显示了不同的生长模式，以及该材料开始时是有弹性的，但随着它的老化，该材料变得更加坚硬并倾向于断裂。
两层之间的限制使研究人员能够模拟出许多不同的形状模式，有些看起来像花、头发、螺旋和蠕虫。
在他们的模型中，研究人员描述了这些图案是如何在化学花园的发展过程中出现的。盐溶液的化学构成可以有很多不同，但他们的模型解释了形成的普遍性。
例如，这些图案可以由松散的颗粒、折叠的膜或自我伸展的丝状物组成。 该模型还验证了观察结果，即新鲜的膜在应对微破损时膨胀，证明了该材料的自我修复能力。
"最新得进展是我们进入了描述化学园地的形状和生长所需的本质，"巴蒂斯塔说。