近日，国际顶尖学术期刊《美国科学院院报》（PNAS）在线刊登了由绍兴文理学院青年高层次人才李安原（第一作者）和华东师范大学刘权兴教授等中国科学家团队领导，日本、美国和荷兰科研人员共同参与发表的题为《Ice needles weave patterns of stones in freezing landscapes》的最新科研成果。
该研究首次发现了地表颗粒物质自组织过程中的“相分离”机制，揭示了冻土区“规则有序图案”的形成过程及其地貌演变特征。文章一经刊出，受到了人民日报客户端、中国科技报、中国新闻网、科学网、文汇报、新民晚报、新浪、网易、搜狐等诸多主流媒体的关注。
据悉，《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，缩写PNAS）是世界公认的四大名刊（《Cell》《Nature》《Science》《PNAS》）之一，拥有超过百年的办刊历史，有着很高的国际声誉，是被引用次数最多的综合学科文献之一。1914年创刊至今，该刊提供了高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻以及学术论文，成为全球科研人员不可缺少的科研资料
地表系统中的颗粒物质受到外界环境作用如风力、冻融等，会不断地聚集、分离并自发地形成有序的空间结构，这种现象称为自组织。这种特殊机制让地表颗粒物质从无序中创造有序，由简单向复杂演化，进而形成多种多样精致的地表斑图。近期，火星地表也发现了大量类似的石质图案结构（图2）。地貌学上，把这类现象称为分选地貌结构（Patterned ground）。物理学上，则把这类图案统称为“自组织斑图”（Self-organized pattern）。
图片来源于刘权兴（左）和HIRISE (NASA/JPL/University of Arizona)。
1952年，计算机科学之父图灵第一次用“反应-扩散”数学模型解释了某些自组织斑图的形成机制。他提出，自然界中复杂图案的形成原理和化学中反应-扩散机制一样，是由系统内两种物质在空间上的尺度依赖反馈引起空间均匀态失稳，而导致了对称性破缺，从而使得系统内自组织产生一些空间定态图案。这个过程及其所形成的图案被后人称为图灵斑图。
研究表明，图灵斑图广泛存在于生物学界中，如老虎和斑马鱼的条纹，豹子身上的斑点以及鳄鱼牙齿排列的间距等现象。由于地球演化过程发展缓慢，其地表图案形成背后的物理机制尚不明确。已有理论模型认为，差异性冻胀、空间侧向挤压是导致地表颗粒物质自组织运动的主要机制，然而该模型缺乏实验证据。
研究发现多年冻土区地表颗粒物质在冻融循环作用下，地表碎石不断朝着石域浓度高的区域迁移，进而自发地形成多种有序图案结构。研究团队通过推导不同针状冰高度和石域浓度的非线性关系，构建了冰针高度-碎石浓度动态演化的理论体系，发现该过程与多相体系中的油水分离过程存在完全相同的物理原理，即“相分离”机制。该研究得到了青藏高原第二次科学考察研究（No.2019QZKK0905）、国家自然科学基金（No.41801043, 41676084, 32061143014）等相关项目资助。
（原标题《厉害了！绍兴青年人才在国际顶尖学术期刊发表科研成果》。编辑金汉青。）
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