Giải mã bí ẩn hình học cánh hoa hồng, nguồn cảm hứng cho vật liệu thông minh

Phát hiện này giúp mở ra triển vọng đầy hứa hẹn cho việc phát triển các vật liệu thông minh tiên tiến, ứng dụng trong điện tử linh hoạt, robot mềm và thiết kế sinh học đầy cảm hứng.

Trong suốt hai thập kỷ qua, giới khoa học vẫn tin rằng hình dạng uốn lượn của các cấu trúc tự nhiên như cánh hoa và lá cây là kết quả của "sự không tương thích Gauss" - một sự sai lệch về mặt hình học gây ra các họa tiết gợn sóng, đường viền không rõ ràng và thiếu đi những đỉnh nhọn sắc nét. Tuy nhiên, hoa hồng, với vẻ đẹp độc đáo khác biệt, lại tuân theo quy tắc tương thích Gauss. Điều này đặt ra một câu hỏi hóc búa: vậy điều gì đã tạo nên những đỉnh nhọn đơn lẻ, tinh xảo xuất hiện ở mép cánh hoa hồng, một đặc điểm mà các cơ chế hình học hiện tại không thể lý giải?

Để vén bức màn bí ẩn này, các nhà nghiên cứu đã dày công xây dựng các mô hình máy tính phức tạp, mô phỏng quá trình sinh trưởng và nở rộ của hoa hồng. Tiếp theo, họ tạo ra các đĩa nhựa dẻo có khả năng uốn cong, đóng vai trò như những cánh hoa nhân tạo, và thử nghiệm các phương thức phát triển khác nhau trong giới hạn vật lý của hoa hồng thật.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Science, đã hé lộ một phương trình toán học tinh tế chi phối sự hình thành của cánh hoa hồng đang phát triển. Theo đó, quá trình tăng trưởng tạo ra một "xung đột hình học" nội tại, buộc cánh hoa phải uốn mình thành những hình dạng mà trạng thái thư giãn lý tưởng không thể đạt được một cách trơn tru trong không gian ba chiều mà không bị biến dạng. Chính sự "ức chế" hình học này đã kiến tạo nên vẻ đẹp quyến rũ của hoa hồng, tập trung vào những đường viền sắc sảo và thanh tao.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng hình dạng đặc trưng của cánh hoa chịu ảnh hưởng sâu sắc bởi một hiện tượng "ức chế" khác, được gọi là sự không tương thích Mainardi-Codazzi-Peterson. Trong đó, các điều kiện tương thích hình học vốn có trong bề mặt của một vật liệu cụ thể bị phá vỡ, dẫn đến các lực nội tại tạo ra sự cuộn tròn và các cạnh sắc nét.