近日，我院等离子体物理团队刘富成、范伟丽、贺亚峰在非线性反应扩散系统中自组织斑图研究领域取得新进展，相关工作“Spatiotemporal patterns in coupled reaction-diffusion systems with nonidentical kinetics”发表在《Physical Review E》(2025, 111,024210),范伟丽教授为论文第一作者，刘富成副教授为通讯作者，贺亚峰教授为共同通讯作者，博士生邓腾坤参与了该工作。
自组织斑图是自然界普遍存在的一种现象，例如动物体表花纹、沙丘、云朵、植被分布、星系形成等，理解时空斑图的形成和演化一直是人们研究的热点。系统构成单元之间的耦合作用是形成时空斑图的关键因素。以往的研究大多集中在相同单元之间的线性耦合，然而现实世界中的系统通常具有不同的构成部分，且各部分之间的耦合是非线性的，例如生物多层组织、活性介质层间复杂相互作用等。现有理论无法解释这些系统内斑图的生成机制，亟需构建的新的理论模型。
该工作通过非线性耦合两个具有不同动力学行为的子系统，研究了两个图灵模之间的相互作用，并分析了各种复杂时空斑图的形成机制。研究发现，图灵模式与耦合方式共同决定了斑图的形成与选择机制。相较于线性耦合，非线性耦合不仅增强了时空斑图的复杂性，同时还降低了空间共振条件的限制要求。超临界-次临界和超临界-超临界图灵模式相互作用均可以产生空间共振超点阵图灵斑图。此外，在超临界-超临界图灵模式相互作用下，由于空间异质性引起的尖峰解失稳还可以形成动态斑图。介质阻挡放电系统为研究非线性耦合作用问题提供了一个理想的实验平台，实验观测结果与数值模拟结果高度吻合。
以上工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等项目资助和大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevE.111.024210
