利用“反应-扩散”机制首次实现在无机过渡金属硫族化合物上图灵结构的构筑

1952年，计算机科学与人工智能之父图灵提出：某些重复的自然图案可能是由两种特定物质（分子、细胞等）通过“反应-扩散”的过程相互作用产生。在该系统中，一种物质促进反应的发生（激活剂），另一种物质抑制反应的进行（抑制剂），两者相遇后反应扩散。在均相体系中一般不会产生图案，但当两者的扩散系数差异达到一定程度时，激活剂和抑制剂这两种物质之间的高扩散比会导致系统失稳，诱导周期性复杂图案的形成。

“图灵结构”在自然界中广泛存在。例如：斑马、海鱼、河豚、贝壳体表的图纹、风中黄沙波纹、蕨类植物叶片、向日葵叶序和小鼠的毛囊间距乃至毛发的密度等均为“反应-扩散”的结果（图1）。然而，在化学体系中构建图灵结构难度很大，这主要是因为在大部分化学系统中，物质的扩散系数差异性小，不满足图灵结构形成的要求，即激活剂的扩散速度要比抑制剂小许多。直到上世纪90年代，法国科学家才基于“反应-扩散”机理在“亚氯酸盐—碘—丙二酸反应”中构建出图灵图案。

图1.自然界中各种图灵图案：（a）河豚，（b）斑马，（c）贝壳。

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近日，中国科学技术大学高敏锐教授研究组利用“反应-扩散”的机制，首次实现了在无机过渡金属硫族化合物上图灵结构的构筑。在二乙烯三胺(DETA)与水的二元溶液中，Ag+会和DETA发生络合反应形成Ag(DETA)+，其扩散系数为3.518×10-6cm2s-1。同时，Co2+从二硒化钴（CoSe2）纳米带表面溢出，其扩散系数为2.317×10-7cm2s-1。因此，在该系统中，Ag(DETA)+是抑制剂而Co2+是激活剂。快速扩散的Ag(DETA)+到达CoSe2表面的能斯特层（Nernst layer）时，与扩散到CoSe2表面的激活剂Co2+发生作用，最终在CoSe2表面形成复杂美丽的Ag2Se图灵图案（图2）。相关研究成果以“An Efficient Turing-Type Ag2Se-CoSe2Multi-Interfacial Oxygen-Evolving Electrocatalyst”为题发表在《德国应用化学》杂志上（Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60,doi.org/10.1002/anie.202017016），并被选为Hot Paper和Back Cover（图3）。论文的共同第一作者为中科大博士研究生张晓隆和杨朋朋。

图2.“反应-扩散”过程驱动复杂无机“图灵”结构形成。

图3.该工作被选为Back Cover论文。

研究发现，这种多界面的图灵结构Ag2Se-CoSe2材料是一种高效的氧气进化（OER）电催化剂，仅需要221 mV的过电压即可实现10 mA cm-2的产氧电流密度，其阳极析氧效率为84.5%。实验表明，Ag2Se-CoSe2的OER活性与图灵结构的界面长度呈线性相关，丰富的界面结构和界面结构处优化的OER中间体吸附能是其高活性的主要原因。

该研究运用“反应-扩散”理论，首次在无机纳米结构材料上构筑复杂的图灵结构，同时为设计更高性能的廉价催化剂提供新思路。

相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。（文/国科大）