一種新的圖靈斑圖體系的形成及影響因素

李桂林

摘要：探究了一種新的產(chǎn)生圖靈斑圖的反應(yīng)體系，并且在實(shí)驗(yàn)中觀察到了三維圖靈斑圖的產(chǎn)生。探討了不同形狀器皿中圖靈斑圖形成的可能性，以及在不同溫度、溶液深度、濃度、外加磁場、電場等條件下圖靈斑圖形成的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：圖靈斑圖體系；實(shí)驗(yàn)觀察；三維圖靈斑圖

文章編號：1005–6629（2014）1–0049–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“斑圖”是在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)，普遍存在于自然界。從熱力學(xué)角度觀察，自然界的斑圖可分為兩類：第一類是存在于熱力學(xué)平衡態(tài)條件下的斑圖，如無機(jī)化學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)、有機(jī)聚合物中自組織形成的斑圖；第二類為離開熱力學(xué)平衡態(tài)條件下產(chǎn)生的斑圖，如天上的條狀云、水面上的波浪、動(dòng)物的體表的花紋。當(dāng)置身于大自然時(shí)，我們不僅會(huì)為大自然的巧奪天工而贊嘆。老虎的斑紋、魚的條紋、向日葵的花苞，這些美麗的圖案世代相傳，且形狀基本保持不變。

1952年，被后人稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父的著名英國數(shù)學(xué)家圖靈（A.M.Turing）把他的目光轉(zhuǎn)向生物學(xué)領(lǐng)域。他在著名論文“形態(tài)形成的化學(xué)基礎(chǔ)”中[1]，從數(shù)學(xué)角度表明，在反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)中，穩(wěn)定均態(tài)會(huì)在某些條件下失穩(wěn)，并自發(fā)產(chǎn)生空間定態(tài)圖紋。此過程被后人明文為“圖靈斑圖”。圖靈用一個(gè)反應(yīng)擴(kuò)散模型成功地說明了某些生物體表面所顯示的圖紋（如斑馬身上的斑圖）是怎樣產(chǎn)生的。

可以設(shè)想，在生物胚胎發(fā)育的某個(gè)階段，生物體內(nèi)某些被稱為“形態(tài)子”的生物大分子與其他反應(yīng)物發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)在體內(nèi)隨機(jī)擴(kuò)散。圖靈的研究表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些原來濃度分布均勻的“形態(tài)子”會(huì)在空間自發(fā)地組織成一些周期性的結(jié)構(gòu)，也就是說，“形態(tài)子”在空間分布變得不均勻，而正是這種“形態(tài)子”分布的不均勻性引起了生物體表面不同花紋的形成。

資料顯示，目前世界上共有五個(gè)體系能產(chǎn)生圖靈斑圖，在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，我們在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里找到了一種能產(chǎn)生圖靈斑圖的新的體系。作者在閱讀了國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)后，進(jìn)行了一系列外界條件對圖靈斑圖形成的研究。

1 課題由來

2011年是國際化學(xué)年，在積極籌備2011年中國（上海賽區(qū)）趣味實(shí)驗(yàn)競賽過程中，我們在觀看了許多國外趣味實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇了糖的一系列趣味實(shí)驗(yàn)開展研究。在做藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們意外發(fā)現(xiàn)其有時(shí)會(huì)形成一種波形圖案。我們再把藍(lán)瓶子、紅瓶子實(shí)驗(yàn)的溶液多次倒在培養(yǎng)皿等器皿中，結(jié)果在培養(yǎng)皿中看到了較穩(wěn)定的波形圖案（藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)的配方[2]：水100 g，葡萄糖2 g，NaOH 2 g，2%亞甲藍(lán)3～5滴，置于250 mL錐形瓶中；藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)操作：振蕩溶液時(shí)其呈藍(lán)色，靜置時(shí)藍(lán)色慢慢褪去變成無色透明液，再振蕩又變藍(lán)色。紅瓶子、花瓶子的方法、原理、現(xiàn)象等相近，只是所選氧還指示劑及相關(guān)顏色不同）。

2 圖靈斑圖的確定

2.1 尋找斑圖產(chǎn)生的原因

我們在培養(yǎng)皿中看到了較穩(wěn)定的波形圖案，接下來的工作就是尋找神奇斑圖產(chǎn)生的原因。只是改變了反應(yīng)容器的形狀，把錐形瓶改為培養(yǎng)皿，結(jié)果得到了圖靈斑圖，兩個(gè)容器形狀不同，表面張力就不一樣。所以我們猜測是否是表面張力引起的圖案。

2.1.1 是否是表面張力引起的圖案

用葡萄糖和氫氧化鈉，加亞甲基藍(lán)，配成溶液，把配好的溶液一部分放在各種不同形狀的容器（各種塑料瓶、錐形瓶、平底燒瓶、容量瓶、開口比底部大的容器等）來做實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只要是敞口的容器，都能夠看到不同的斑圖。所以，否定了是表面張力引起的原因。

2.1.2 形成的圖案是否是膠團(tuán)

在高二有機(jī)部分看到了表面活性劑的親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的圖片。曾琢磨著這個(gè)圖案是否是膠團(tuán)，我們花了長達(dá)2個(gè)月的時(shí)間來閱讀膠團(tuán)、表面活性劑等相關(guān)材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠團(tuán)根本是肉眼看不見的，所以我們?yōu)檫@一假設(shè)劃上了句號。

2.1.3 形成的是圖靈斑圖

（1）結(jié)緣圖靈斑圖

在百般無奈的情況下，筆者通過百度搜神奇的圖案，沒有相似的東西，搜圖案更是找不到相關(guān)的資料。通過大學(xué)數(shù)據(jù)庫，以神奇的圖案為關(guān)鍵詞，搜索結(jié)果為0，我們以圖案為關(guān)鍵詞，也搜索不到東西。于是以圖為關(guān)鍵詞，搜到了圖靈斑圖，搜索并下載了所有與圖靈斑圖案相關(guān)的資料，開始學(xué)習(xí)和整理。

（2）類似的圖靈斑圖[3]

曾有人發(fā)現(xiàn)聚乙烯膠-甲基藍(lán)-硫化鈉-氧氣（PA-MBO）體系的圖靈斑圖案，在聚乙烯膠-甲基藍(lán)-硫化鈉-氧氣（PA-MBO）體系中，Munster等首次觀察到了短暫準(zhǔn)靜止的類似于圖靈斑圖案的時(shí)空斑圖。

（3）證明是圖靈斑圖

藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)和紅瓶子實(shí)驗(yàn)以及花瓶子實(shí)驗(yàn)都屬于化學(xué)振蕩，只有化學(xué)振蕩反應(yīng)才能產(chǎn)生圖靈斑圖。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的圖案和BZ-AOT體系形成的圖案基本一致。

3 外界條件對圖靈斑圖形成的影響研究

已有研究證明除了濃度控制參數(shù)與凝膠層厚度可以對圖靈斑圖產(chǎn)生影響外，溫度、可見光、外部電場、噪聲與激光也可以對其產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)先研究不同濃度條件下，形成的圖靈斑圖的特點(diǎn)，然后，用合適的濃度來做不同溫度、光照條件下，在電場或磁場中，不同深度時(shí)圖靈斑圖形成的特點(diǎn)。

結(jié)論：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度越高形成圖靈斑圖案所需要的時(shí)間越短，20℃、30℃時(shí)形成的圖靈斑圖案比較漂亮，所以此區(qū)間溫度是比較適宜的實(shí)驗(yàn)溫度。

3.2 濃度影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉的理想濃度在4%～6%左右，葡萄糖加2克左右比較好，堿性藏紅花的滴數(shù)控制在8滴左右。因?yàn)閴A性越大，越不能形成三維斑圖，氫氧化鈉濃度過大，不能形成圖靈斑圖，堿性太小，形成圖靈斑圖所需要時(shí)間長。

3.3光照影響

以前的科學(xué)研究預(yù)測三維圖靈斑圖的存在，但仍然沒有在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)三維的圖案[4]，我們在實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)地看到了三維的圖靈斑圖。

3.4 磁場影響

我們用交互線圈來產(chǎn)生磁場，并把培養(yǎng)皿放在線圈的上方，這樣就會(huì)有磁場通過培養(yǎng)皿，另外我們也用兩個(gè)條形磁鐵來提供磁場。

無磁場影響的情況下，形成斑點(diǎn)狀的圖靈斑圖；在有磁場影響的情況下，在磁場中其形狀如同一朵花，先是出現(xiàn)一圈圈的環(huán)狀斑紋，出現(xiàn)順序?yàn)橛衫锒猓邎D逐漸變得扁長，并漸漸連成一線，最后成為放射狀，內(nèi)密外疏。

3.5 電場影響

藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)（水溫控制在30～40℃）：把藍(lán)瓶子溶液放在電場中，靜置，十幾秒后觀察現(xiàn)象。

15秒后，在玻璃皿中形成2個(gè)平行的螺旋，在以前的研究中也發(fā)現(xiàn)過類似的螺旋狀圖靈斑圖[6]，實(shí)驗(yàn)中這兩個(gè)螺旋在不停地運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向是相反的。30秒后，這兩個(gè)螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立體的圖案。與所有圖靈斑圖不一樣的是，在培養(yǎng)皿的邊緣形成了一條條豎直的藍(lán)色線段，且它們間的間距相等。由此看來，電場對圖靈斑圖的形成是有巨大影響的。

3.6 溶液的深度影響

由實(shí)驗(yàn)可知溶液越深，越容易形成條狀三維圖靈斑圖，溶液越淺越容易形成二維的點(diǎn)狀圖靈斑圖。

4 創(chuàng)新及意義

（1）盡管有許多化學(xué)振蕩反應(yīng)，在過去幾年里，De Kepper小組致力于在眾多的振蕩反應(yīng)中來發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖，如二氧化氯-碘離子（CDI）反應(yīng)、過氧化氫-亞硫酸鈉-硫代硫酸鈉（CT）反應(yīng)、碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素（TuIS），但僅在FIS體系中發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖[7]。迄今為止，共有5個(gè)體系發(fā)現(xiàn)了圖靈斑圖[8～11]，如CIMA體系（亞氯酸鈉-碘化鈉-丙二酸-淀粉）、PA-MBO體系（聚乙烯-甲基藍(lán)-硫化鈉-氧氣）FIS體系（亞鐵氰化鉀-碘酸鈉-亞硫酸鈉）、BZ-AOT體系（水、油、陽離子表面活性劑、BZ反應(yīng)介質(zhì)）、TuIS RD體系（碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素）。筆者新發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生圖靈斑圖的反應(yīng)體系（即葡萄糖-氫氧化鈉-亞甲基藍(lán)或者堿性藏紅花），為圖靈斑圖的體系增加了新成員。

（2）此前的圖靈斑圖都要在復(fù)雜的特定反應(yīng)容器[12]中才能產(chǎn)生，圖16 [13]是一種常見的圖靈斑圖產(chǎn)生器。有些圖靈斑圖的產(chǎn)生還需要聚乙烯膠水來產(chǎn)生膠層，這些圖靈斑圖的產(chǎn)生均比較復(fù)雜，筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的用培養(yǎng)皿就能產(chǎn)生圖靈斑圖的方法。

（3）本文探究了不同條件對圖靈斑圖形狀的影響，進(jìn)一步豐富了對圖靈斑圖的認(rèn)識(shí)。

（4）已有的相關(guān)研究成果預(yù)測了三維圖靈斑圖的存在，但還沒有在實(shí)驗(yàn)中觀察到，筆者在實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)地觀察到了三維圖靈斑圖的存在。

參考文獻(xiàn)：

[1] Turing A M. Phil Trans R Soc London Ser B， 1952：327.

[2]王祖浩，王程杰.中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[M].南寧：廣西教育出版社，2007：143～144.

[3][4][12][13]解榮永，苗琛，王玉梅等.圖靈圖案的研究進(jìn)展[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，第22卷第3期，2007，（6）.

[5][6][8]歐陽頎，反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)中的斑圖動(dòng)力學(xué)[M].上海：上海科技教育出版社，1992：3.

[7][9] Haimiao Liu， John A Pojman， Yuemin Zhao. Pattern formation in the iodate-sulfite-thiosulfatere action-diffusion system， Phys.Chem. Chem.Phys. ， 2012，（14）：131～137.

[10] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2009：324，772.

[11] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2010：239，776.

3.4 磁場影響

我們用交互線圈來產(chǎn)生磁場，并把培養(yǎng)皿放在線圈的上方，這樣就會(huì)有磁場通過培養(yǎng)皿，另外我們也用兩個(gè)條形磁鐵來提供磁場。

無磁場影響的情況下，形成斑點(diǎn)狀的圖靈斑圖；在有磁場影響的情況下，在磁場中其形狀如同一朵花，先是出現(xiàn)一圈圈的環(huán)狀斑紋，出現(xiàn)順序?yàn)橛衫锒?，斑圖逐漸變得扁長，并漸漸連成一線，最后成為放射狀，內(nèi)密外疏。

3.5 電場影響

藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)（水溫控制在30～40℃）：把藍(lán)瓶子溶液放在電場中，靜置，十幾秒后觀察現(xiàn)象。

15秒后，在玻璃皿中形成2個(gè)平行的螺旋，在以前的研究中也發(fā)現(xiàn)過類似的螺旋狀圖靈斑圖[6]，實(shí)驗(yàn)中這兩個(gè)螺旋在不停地運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向是相反的。30秒后，這兩個(gè)螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立體的圖案。與所有圖靈斑圖不一樣的是，在培養(yǎng)皿的邊緣形成了一條條豎直的藍(lán)色線段，且它們間的間距相等。由此看來，電場對圖靈斑圖的形成是有巨大影響的。

3.6 溶液的深度影響

由實(shí)驗(yàn)可知溶液越深，越容易形成條狀三維圖靈斑圖，溶液越淺越容易形成二維的點(diǎn)狀圖靈斑圖。

4 創(chuàng)新及意義

（1）盡管有許多化學(xué)振蕩反應(yīng)，在過去幾年里，De Kepper小組致力于在眾多的振蕩反應(yīng)中來發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖，如二氧化氯-碘離子（CDI）反應(yīng)、過氧化氫-亞硫酸鈉-硫代硫酸鈉（CT）反應(yīng)、碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素（TuIS），但僅在FIS體系中發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖[7]。迄今為止，共有5個(gè)體系發(fā)現(xiàn)了圖靈斑圖[8～11]，如CIMA體系（亞氯酸鈉-碘化鈉-丙二酸-淀粉）、PA-MBO體系（聚乙烯-甲基藍(lán)-硫化鈉-氧氣）FIS體系（亞鐵氰化鉀-碘酸鈉-亞硫酸鈉）、BZ-AOT體系（水、油、陽離子表面活性劑、BZ反應(yīng)介質(zhì)）、TuIS RD體系（碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素）。筆者新發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生圖靈斑圖的反應(yīng)體系（即葡萄糖-氫氧化鈉-亞甲基藍(lán)或者堿性藏紅花），為圖靈斑圖的體系增加了新成員。

（2）此前的圖靈斑圖都要在復(fù)雜的特定反應(yīng)容器[12]中才能產(chǎn)生，圖16 [13]是一種常見的圖靈斑圖產(chǎn)生器。有些圖靈斑圖的產(chǎn)生還需要聚乙烯膠水來產(chǎn)生膠層，這些圖靈斑圖的產(chǎn)生均比較復(fù)雜，筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的用培養(yǎng)皿就能產(chǎn)生圖靈斑圖的方法。

（3）本文探究了不同條件對圖靈斑圖形狀的影響，進(jìn)一步豐富了對圖靈斑圖的認(rèn)識(shí)。

（4）已有的相關(guān)研究成果預(yù)測了三維圖靈斑圖的存在，但還沒有在實(shí)驗(yàn)中觀察到，筆者在實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)地觀察到了三維圖靈斑圖的存在。

參考文獻(xiàn)：

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[5][6][8]歐陽頎，反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)中的斑圖動(dòng)力學(xué)[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，1992：3.

[7][9] Haimiao Liu， John A Pojman， Yuemin Zhao. Pattern formation in the iodate-sulfite-thiosulfatere action-diffusion system， Phys.Chem. Chem.Phys. ， 2012，（14）：131～137.

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[11] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2010：239，776.

3.4 磁場影響

我們用交互線圈來產(chǎn)生磁場，并把培養(yǎng)皿放在線圈的上方，這樣就會(huì)有磁場通過培養(yǎng)皿，另外我們也用兩個(gè)條形磁鐵來提供磁場。

無磁場影響的情況下，形成斑點(diǎn)狀的圖靈斑圖；在有磁場影響的情況下，在磁場中其形狀如同一朵花，先是出現(xiàn)一圈圈的環(huán)狀斑紋，出現(xiàn)順序?yàn)橛衫锒?，斑圖逐漸變得扁長，并漸漸連成一線，最后成為放射狀，內(nèi)密外疏。

3.5 電場影響

藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)（水溫控制在30～40℃）：把藍(lán)瓶子溶液放在電場中，靜置，十幾秒后觀察現(xiàn)象。

15秒后，在玻璃皿中形成2個(gè)平行的螺旋，在以前的研究中也發(fā)現(xiàn)過類似的螺旋狀圖靈斑圖[6]，實(shí)驗(yàn)中這兩個(gè)螺旋在不停地運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向是相反的。30秒后，這兩個(gè)螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立體的圖案。與所有圖靈斑圖不一樣的是，在培養(yǎng)皿的邊緣形成了一條條豎直的藍(lán)色線段，且它們間的間距相等。由此看來，電場對圖靈斑圖的形成是有巨大影響的。

3.6 溶液的深度影響

由實(shí)驗(yàn)可知溶液越深，越容易形成條狀三維圖靈斑圖，溶液越淺越容易形成二維的點(diǎn)狀圖靈斑圖。

4 創(chuàng)新及意義

（1）盡管有許多化學(xué)振蕩反應(yīng)，在過去幾年里，De Kepper小組致力于在眾多的振蕩反應(yīng)中來發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖，如二氧化氯-碘離子（CDI）反應(yīng)、過氧化氫-亞硫酸鈉-硫代硫酸鈉（CT）反應(yīng)、碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素（TuIS），但僅在FIS體系中發(fā)現(xiàn)圖靈斑圖[7]。迄今為止，共有5個(gè)體系發(fā)現(xiàn)了圖靈斑圖[8～11]，如CIMA體系（亞氯酸鈉-碘化鈉-丙二酸-淀粉）、PA-MBO體系（聚乙烯-甲基藍(lán)-硫化鈉-氧氣）FIS體系（亞鐵氰化鉀-碘酸鈉-亞硫酸鈉）、BZ-AOT體系（水、油、陽離子表面活性劑、BZ反應(yīng)介質(zhì)）、TuIS RD體系（碘酸根離子-亞硫酸根離子-硫脲素）。筆者新發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生圖靈斑圖的反應(yīng)體系（即葡萄糖-氫氧化鈉-亞甲基藍(lán)或者堿性藏紅花），為圖靈斑圖的體系增加了新成員。

（2）此前的圖靈斑圖都要在復(fù)雜的特定反應(yīng)容器[12]中才能產(chǎn)生，圖16 [13]是一種常見的圖靈斑圖產(chǎn)生器。有些圖靈斑圖的產(chǎn)生還需要聚乙烯膠水來產(chǎn)生膠層，這些圖靈斑圖的產(chǎn)生均比較復(fù)雜，筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的用培養(yǎng)皿就能產(chǎn)生圖靈斑圖的方法。

（3）本文探究了不同條件對圖靈斑圖形狀的影響，進(jìn)一步豐富了對圖靈斑圖的認(rèn)識(shí)。

（4）已有的相關(guān)研究成果預(yù)測了三維圖靈斑圖的存在，但還沒有在實(shí)驗(yàn)中觀察到，筆者在實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)地觀察到了三維圖靈斑圖的存在。

參考文獻(xiàn)：

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