全球首例“图灵结构”净水膜温室,浙江大学完美呈现

科学
全球首例“图灵结构”净水膜温室,浙江大学完美呈现
麻省理工科技评论 2018-05-06

2018-05-06

来自浙江大学的科学家别出心裁,采用“反应-扩散”机制,制作了以聚酰胺(polyamid)为基底的三维图灵结构,这也是科学家将图灵结构首次投入实际应用中。
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来自浙江大学的科学家别出心裁,采用“反应-扩散”机制,制作了以聚酰胺(polyamid)为基底的三维图灵结构,这也是科学家将图灵结构首次投入实际应用中。

浙江大学的科学家最近开发了一款超级净水膜,能将海水中的盐分和水快速地分离开来,速度将是传统净水膜的 3 倍。更让科学界疯狂的是,这种净水膜采用了一种独特的空间构型,正是 60 多年前著名计算机学家艾伦·图灵预测的“图灵结构”。这也是图灵结构首次走出实验室,被科学家实现了实际应用。


不想当生物学家的数学家不是好的计算机之父

世间万物也有相,形态也是我们世间万物的一个辨别标准。但是,当我们看见大自然中极具规律的图案的时候,除了感叹这是大自然的鬼斧神工,有没有想过其背后的原理呢?斑马的条纹、豹纹的斑点为什么就是那样的呢?

这些看似完美的图案背后一定蕴藏着神奇的原理,英国伟大的数学家艾伦图灵坚信着。这位“现代计算机之父”刚刚跨过自己在计算机领域的成就——“图灵机”“图灵测试”都是改变世界的理论。这一年,1952年,正是数学生物学的萌芽阶段,图灵对斐波那契叶序产生了兴趣,尝试采用数学原理解释这样的现象。他从中受到启发,采用数学模型来分析生物形态变化的过程。由此,他发表了一篇名为《形态发生的化学基础》(The Chemical Basis of Morphogenesis),在文中提出了一种数学模型,并阐述了胚胎中的细胞以何种机制形成一些结构,例如躯干、骨头和器官。

图灵是第一个通过简单化学和数学模型来解释形态形成的人。他认为,同样的生物学细胞能够通过一个被称为细胞间反应扩散(intercellular reaction-diffusion)的过程,发生分化、改变形状并形成特定的细胞模式。在此机制中,两种主要的反应物(或细胞)将相互作用,发生化学反应并在空间中发生扩散。其中一种促进反应的发生被称为“激活因子”(activator),另一种抑制反应的进行被称为“抑制因子”(inhibitor)。两者相遇后一边反应一边扩散,在均匀的情况下,这个系统会呈现出均相体系特征,不会产生图案;但两者扩散存在差异达到一定程度时,会导致系统失稳,最终形成周期性的复杂图案,例如图1中点状或者条状的结构,而这就是我们文章开头提到的图灵结构。图灵当年推测,斑马等生物体表的图纹可能就是该“反应-扩散”体系的结果。它们的条纹宽度、间隔距离都是非常精准的,不会因为“没有墨水”而出现随机的“打印图案”。


具有图灵结构的净水膜

海水淡化即利用海水脱盐生产淡水,是实现水资源利用的开源增量技术,可以增加淡水总量,且不受时空和气候影响,可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、以及碳酸铵离子交换法,目前应用反渗透膜法及蒸馏法是市场中的主流。反渗透膜法中,反渗透膜的设计和制作是其中的关键之一。如何设计并低成本地制作高效率的反渗透膜也是困扰世界科学家的难题。

来自浙江大学的科学家别出心裁,采用“反应-扩散”机制,制作了以聚酰胺(polyamid)为基底的三维图灵结构,这也是科学家将图灵结构首次投入实际应用中。

但是来自浙江大学的材料科学家张林教授,利用“反应-扩散”机制,制作了以聚酰胺(polyamid)为基底的三维图灵结构,这也是科学家将图灵结构首次投入实际应用中。反应的原料是哌嗪(piperazine)和三甲酰氯(trimesoyl chloride),但这两种物质在往常合成聚酰胺的条件下扩散能力都差不多,三甲酰氯可能要微微快一点,这并不足以达到形成图灵结构的条件。张林教授巧妙地将“聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)”加入到哌嗪中,用来“拖住”它的脚步。如此一来,完美地将哌嗪和三甲酰氯分别设置为图灵结构形成机制的“激活因子”和“抑制因子”,而拥有三维图灵结构的净水膜也就形成了。形成的净水膜表面粗糙且具有网状结构,而根据反应物的配比不同,能形成表面形貌完全不同的两种净水膜,如图所示的点状和条状图案。

这样的结构不仅仅是对图灵的致敬,它增加了净水膜的表面积。简单而言,在这样的净水膜表面会有更多的让水通过的通道,进而增强了膜的透水性能。另一方面,如果通过电子显微镜进行观察,这些三维的图灵结构形成了一张网状结构,其中有很多空隙,减少了水透过的阻力,使得膜的分离性能比传统制备方法制备的膜要优良的多。制作出净水膜之后,张林教授马上组织了课题组内部的测试。他们首先测试了它的滤过性能,一次过滤后它能将标准盐溶液中的盐分去除一半,也能将其他的无机盐高效率地去除:能去除90%的氯化镁,99%的硫酸镁和爱普生盐。张林教授称,一平方米的此种净水膜一小时能处理125升以上的水,承受的压力还是相对传统工业低的5倍大气压。最终的结果是,图灵净水膜的净水速度比传统净水膜要快3倍。


展望未来

尽管图灵净水膜引起了不小的轰动,但是它的性能还是受到了一些质疑。根据实验数据显示,图灵净水膜对于某些无机盐的去除能力很好,但是对于盐分的去除能力有限,科学家也对在传统净水工业中采用图灵净水膜持怀疑态度。张林教授对此表示,可以先将图灵净水膜用于海水净化的预处理阶段,去除盐分还是可以采用传统的反渗透膜。来自德国弗里德里希-米切尔实验室(Friedrich Miescher Laboratory)系统生物学家穆勒表示,这样的技术如果能将制作过程标准化,图灵结构也能用在再生医学中,例如生产人工静脉或骨头。而一旦攻克了生产这些复杂的空间结构,下一步就是合成人造的器官。

其实,且不论这样的图灵净水膜能否适用于传统的净水工业,这样的净水膜是对图灵提出的“扩散-反应”理论的一种肯定,也是图灵传奇的一种延续。图灵结构在大自然可以找到很多例子,但是在实验室中,我们合成的图灵结构还只停留在二维的层面,但是张林教授的图灵净水膜拥有的是三维的图灵结构。这是图灵结构走出实验室的第一步,是图灵结构走向应用的敲门砖。

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