浙大科學(xué)家做出首張圖靈結(jié)構(gòu)凈水膜
貝殼上精妙絕倫的圖案形態(tài)。 浙江大學(xué) 供圖
1952年，現(xiàn)代計算機與人工智能之父艾倫·圖靈提出猜想：我們所見的一部分生命世界的形態(tài)，本質(zhì)上是一類不均衡的化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。60多年后，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院張林教授的實驗室誕生了一張新型凈水膜，它不同尋常的表面形貌正符合圖靈當年提出的圖靈結(jié)構(gòu)理論。
生物學(xué)家們在不同尺度的生命體系中發(fā)現(xiàn)圖靈結(jié)構(gòu)：斑馬魚體表的黑色和黃色色素細胞相互作用，在體表出現(xiàn)的條狀斑圖;小鼠生成毛囊的基因表達過程中存在“反應(yīng)—擴散”過程，它決定著毛囊間距，影響著小鼠毛發(fā)的密度分布差異;魚鰭內(nèi)骨骼中指頭的數(shù)目，也是幾個基因因圖靈機制產(chǎn)生的結(jié)果。
課題組經(jīng)過討論，提出制備納濾膜的界面聚合反應(yīng)正是一種典型的“反應(yīng)—擴散”反應(yīng)。既然這樣，便可以依據(jù)圖靈的理論來調(diào)控納濾膜的制備過程。張林介紹，研究組陸續(xù)嘗試在水中添加不同類型的親水大分子：淀粉、聚吡咯烷酮、聚乙二醇等，當試到聚乙烯醇時，納濾膜的表面出現(xiàn)了條狀的周期性圖案——光滑的納濾膜“變臉”了，電子顯微鏡下，科學(xué)家欣喜地發(fā)現(xiàn)薄膜表面分布著縱橫交錯的20納米左右厚的“管道”或“圓泡”。經(jīng)過測試，膜的透水性能翻了倍。
經(jīng)過核磁共振實驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)哌嗪和均苯三甲酰氯的擴散速率差異不足以產(chǎn)生圖靈結(jié)構(gòu)，而加入聚乙烯醇后，哌嗪的擴散速率明顯下降。是聚乙烯醇讓哌嗪放慢了“腳步”，在界面聚合過程中，哌嗪與均苯三甲酰氯“舞”出了不一樣的路線，最終形成了一張具有納米級圖靈結(jié)構(gòu)的納濾膜。
張林課題組納濾膜表面“制造”復(fù)雜紋理確實屬于圖靈結(jié)構(gòu)嗎?要給出這個答案，張林課題組必須重新對制膜過程觀察、解析。判斷是否屬于圖靈反應(yīng)—擴散方程的關(guān)鍵之處在于，反應(yīng)中的活化劑和抑制劑各自的擴散速率必須有數(shù)量級的差異。
“通過調(diào)節(jié)聚乙烯醇不同的濃度，我們得到了管狀、泡狀等不同的圖靈結(jié)構(gòu)。”張林說，這項研究是第一次將圖靈結(jié)構(gòu)拓展到應(yīng)用領(lǐng)域，用來指導(dǎo)凈水膜的制備。具有圖靈結(jié)構(gòu)的凈水膜，透水性能大大突破了納濾膜的透水極限，透水效率比常規(guī)納濾膜高出3—4倍。這是因為圖靈結(jié)構(gòu)的表面紋理凹凸不平，賦予了凈水膜更多的透水位點。
“我們發(fā)現(xiàn)了圖靈結(jié)構(gòu)納濾膜的形成機理，下一步將開發(fā)性能更為優(yōu)異的凈水膜。”張林說。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這項膜制備技術(shù)不必對現(xiàn)有生產(chǎn)線做任何改造，就能生產(chǎn)出性能更優(yōu)的凈水膜，會有良好的應(yīng)用前景。(周煒)
