Instabilità topografica chirale nelle sfere che si restringono

Nature Computational Science volume 2, pagine 632–640 (2022)Citare questo articolo

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Molte strutture biologiche mostrano modelli morfologici intriganti adattati ai segnali ambientali, che contribuiscono alle loro importanti funzioni biologiche e ispirano anche la progettazione dei materiali. Qui, riportiamo una topografia corrugata chirale nel restringimento delle sfere del nucleo-guscio, come osservato nel frutto della passione eccessivamente disidratato e dimostrato sperimentalmente nei gusci del nucleo di silicio sotto estrazione dell'aria. Dopo la deformazione da ritiro, la superficie inizialmente si deforma in uno schema buckyball (esagoni e pentagoni periodici) e poi si trasforma in una modalità chirale. I modelli cellulari chirali vicini possono interagire ulteriormente tra loro, provocando la rottura della simmetria secondaria e la formazione di due tipi di rete topologica. Sviluppiamo un modello core-shell e deriviamo una legge di scala universale per comprendere il meccanismo morfoelastico sottostante e per descrivere e prevedere in modo efficace tale rottura della simmetria chirale ben oltre la soglia critica di instabilità. Inoltre, mostriamo sperimentalmente che la caratteristica chirale adattata alla perturbazione locale può essere sfruttata per afferrare in modo efficace e stabile oggetti di piccole dimensioni di varie forme e realizzati con diversi materiali rigidi e morbidi. I nostri risultati non solo rivelano topografie di instabilità chirale, fornendo informazioni fondamentali sulla morfogenesi superficiale delle sfere deformate nucleo-guscio che sono onnipresenti nel mondo reale, ma dimostrano anche potenziali applicazioni di presa adattiva basata sulla delicata localizzazione chirale.

La formazione di modelli morfologici su scale di lunghezza è energeticamente favorevole per la materia vivente a pareti sottili come frutta1,2, verdura3, foglie4,5,6, embrioni7, organi8, tumori9 e cervello10, dove la rottura spontanea della simmetria durante la crescita o la disidratazione è normalmente considerata come un fattore cruciale nella loro complessa topografia rugosa6,11,12. Ad esempio, i granuli di polline dei fiori di angiosperme si ripiegano automaticamente se esposti a un ambiente secco per prevenire un'ulteriore essiccazione13. Lo stress residuo indotto dalla crescita si accumula durante la progressione del tumore, determinando il collasso globale dei vasi sanguigni e linfatici, rendendo inefficace il rilascio vascolare dei farmaci antitumorali9. La rottura della simmetria nell'evoluzione dei modelli di rughe durante lo sviluppo del cervello determina la differenza di spessore tra giri e solchi, che è strettamente collegata a disturbi dello sviluppo neurologico come lissencefalia, polimicrogiria, disturbi dello spettro autistico e schizofrenia14. In termini di utilizzo pratico, la rottura della simmetria nella formazione di modelli morfologici superficiali ha trovato applicazioni sempre crescenti in vari campi, come la micro/nanofabbricazione di dispositivi elettronici flessibili15,16, superfici autopulenti e antivegetative17, pelli sintetiche mimetiche18 , attuatori morbidi che cambiano forma19 e controllo adattivo della resistenza aerodinamica20. La previsione, il controllo e la manipolazione precisi delle morfologie di instabilità reversibili sarebbero fondamentali per le applicazioni pertinenti.

Lavori precedenti3,12,21,22,23 sulla formazione di modelli morfologici in gusci di nuclei sferici stressati, una struttura tipica onnipresente in natura e nelle tecnologie industriali, hanno dimostrato una varietà di topografie intriganti come le modalità fossetta, buckyball e labirinto. Qui riportiamo una topografia di instabilità chirale nelle sfere nucleo-guscio. Abbiamo osservato che un frutto della passione essiccato (Passiflora edulia Sims) inizialmente si deforma in uno schema periodico di buckyball costituito da esagoni e pentagoni, evolvendosi in una modalità chirale e forma intriganti reti topologiche chirali in caso di restringimento eccessivo (Fig. 1). Ispirati da questo fenomeno naturale, abbiamo esplorato, sia teoricamente che sperimentalmente, la formazione del modello morfologico e l’evoluzione di sfere nucleo-guscio altamente deformate, in particolare l’emergere di un modello chirale e di reti di creste chirali con rottura della simmetria nella biforcazione avanzata. Abbiamo stabilito un modello matematico e una legge di scala per catturare l’instabilità chirale delle sfere nucleo-guscio ed esplorato una potenziale applicazione della localizzazione chirale adattativa alle perturbazioni.