超级净水膜诞生!图灵结构“首秀”亮瞎了我的眼

自然界充满着精妙复杂的图案:斑马的黑白相间,梅花鹿不规则的斑点,甚至是让许多人避之不及的蛇,都有着奇妙的图案纹理……那么,这些图案是究竟是如何形成的呢?


被称为“现代计算机与人工智能之父”的艾伦·图灵在1952年发表的论文《形态发生的化学基础》中曾给出过这样的解释。他认为,生命体中存在着一类名为“形态成形素”的物质,这种物质中的一种可以促进反应的发生,而另一种则会对反应起到抑制作用,当此二者相遇时会一边反应一边扩散,形成一个系统。在扩散均匀的情况下,这个系统会呈现出均相体系特征,不会产生图案,但是当两者扩散存在差异并且达到一定的程度时,系统就会失衡,最终形成周期性的复杂图案。这就是着名的“反应-扩散方程”,而依据这个原理形成的结构则被称为“图灵结构”。


在艾伦·图灵建立“反应-扩散方程”之后的几十年中,陆续有科学家在不同的生命体系中发现了图灵结构,并且在上世纪90年,法国科学家利用“亚酸盐-碘-丙二酸反应”首次在化学实验中观察证实了图灵结构。虽然,科学家们对图灵结构的研究从未中断,但是在工业产品中制造图灵结构却一直未能实现,直到近日,浙江大学一研究团队在纳滤膜上制造出了图灵结构,实现了图灵结构在工业产品中的“首秀”。相关成果发表在国际顶级期刊《科学》上。


净水


纳滤膜是广泛应用在水质净化处理、深度水加工等领域的重要材料,其生产制作通过界面聚合反应实现:将哌嗪和均苯三甲酰氯两种小分子分别溶解于水和油中,当互不相容的水和油接触后,哌嗪和均苯三甲酰氯会在水油界面发生聚合反应,几秒钟便可形成一张厚度100纳米左右的高分子纳滤膜。在研究中,实验人员在水中分别加入了淀粉、聚乙二醇、聚乙烯醇等亲水大分子物质,当使用到聚乙烯醇时,哌嗪的扩散速率明显下降,与均苯三甲酰氯相互作用产生了不一样的路线,最终形成了具有图灵结构的纳滤膜。此外,实验人员还通过调节聚乙烯醇的不同浓度,得到了泡状、管状等不同的图灵图案。


扫描电子显微镜下的两种图灵结构纳滤膜,左边为点状结构,右边为条状结构


据了解,这种具有图灵结构的纳滤膜的透水性能要比传统纳滤膜高出3-4倍,这是因为图灵结构的出现使得原本光滑的纳滤膜表面变得凹凸不平,也就赋予了薄膜更多的透水位点,有效的增加了透水面积。据相关人员表示,这种制膜技术不需要对原生产线进行任何改造就能生产出性能更强的超级净水膜,具有良好的市场应用前景。超级净水膜诞生!图灵结构“首秀”亮瞎了我的眼插图1

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