最近，中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室的曹则贤研究员与浙江理工大学的李超荣教授、美国哥伦比亚大学的陈希博士小组合作，通过表面应力工程研究为理解生物形貌多样性提供了普适性解释。该研究工作以“Stress-driven buckling patterns in spheroidal core/shell structures”为题发表在日前出版的《美国科学院院刊》上，Nature News为此作了专题报道。

 

    应力是影响有机与无机世界里各种生长过程的重要因素，因此是生长与形态研究所必须考虑的关键因素。近年来，国际上关于应力驱动结构失稳在薄膜上引起的各种花样的研究取得了许多重要的进展。这些研究对于理解各种花样包括皱纹、材料断裂、薄膜表面形貌提供了深入的认识。但是，在这些工作了所涉及的都是有开放边界的曲面或平面，它们在拓扑学上都是亏格数为1的表面。对于亏格数为0的闭合曲面上的应力屈曲形态及其在理解自然方面的意义则鲜有涉及。

 

    曹则贤、李超荣自2004年起研究曲面上的应力驱动自组装。研究中发现应力屈曲花样同系统的拓朴和几何性质有密切的关系。最近，他们同陈希小组在先前工作的基础上研究了旋转椭球面上的皱褶模式随应力过载、表皮相对厚度和形状因子的变化规律，发现在给定的参数范围内应力花样是稳定的，而大范围的参数改变则能重现大自然中的多种瓜果表面的形貌。相关的数值计算和利用无机材料得到的实验结果有力地支持了叶序学的力学原理，指出许多瓜果形貌的变化是力学行为而非基因行为，此研究结果为理解生物形貌多样性提供了新的视角。

 

    此前的相关结果曾在Science 309, 909(2005)、APL 90，164102 (2007，封面)、APL 85，3570(2004，封面)、APL 93, 034108 (2008) 和 PRL 100,036102 (20008))上发表，Nature、New Scientists 等众多国际知名杂志和科学网站也相继进行了报道。

 

    以上工作得到了国家自然科学基金委和国家民用航天项目的支持。