從浙江大學獲悉, 近日, 長期從事膜科學研究的浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授團隊把圖靈結構與膜研究結合起來, 第一次在薄膜上製造出了納米尺度的圖靈結構. 這項首次面嚮應用領域構建圖靈結構的研究成果, 於北京時間5月4日發表在國際頂級期刊《科學》上.
斑馬的黑白條紋, 海螺的旋轉螺紋, 植物莖葉的迴旋捲曲……大自然中這些規則重複的圖案是怎麼形成的, 一直是個令人好奇的問題. 早在60多年前, 英國科學家圖靈就預測: 某些重複的自然斑圖可能是由兩種特定物質(分子, 細胞等)相互反應或作用產生的. 通過一個被他稱為 '反應-擴散' 的過程, 這兩種組分將會自發地自組織成斑紋, 條紋, 環紋, 螺旋或是斑駁的斑點等結構. 後來的科學家證實了這個猜想, 並將這類結構稱為 '圖靈結構' .
界面聚合製備超薄分離膜技術從上個世紀80年代問世沿用至今, 已經相當成熟, 但同是界面聚合製備的納濾膜和反滲透膜雖然製備工藝和反應機理完全一致, 但兩者的表面結構卻差異很大: 納濾膜表面光滑, 而反滲透膜表面呈峰穀結構, 較為粗糙. 張林團隊進行深入研究. 在深究差異原因時, 他們發現界面聚合過程屬於典型的 '反應-擴散' 體系.
圖靈結構產生的必要條件, 就是兩個反應物的擴散係數之差要達到一個數量級以上. 研究團隊想要尋找到一種方法改變反應物的擴散係數差異, 使其能滿足這個條件.
經過仔細分析和討論, 研究團隊提出在擴散係數小的反應物水溶液中加入阻礙反應物擴散的親水大分子, 這項工作就好比是拉住其中擴散慢的反應物的 '大腿' , 讓它跑得更慢一點. 在大量的實驗中, 科研人員嘗試添加各種親水大分子, 使溶於水的反應物向油中擴散的速率降下來, 並在水與油的接觸面上, 與油中的反應物發生反應形成具有周期性變化的圖靈結構的新型納濾膜.
在長時間的不斷試驗後, 科研人員發現聚乙烯醇作為抑制反應物擴散的親水大分子的效果最好.
有了聚乙烯醇對反應物擴散的 '阻礙' 作用, 原本平整光滑的膜表面真的就 '長' 出了圖靈結構. 這些只有20-30納米緻密的, 具有周期性規律的圖靈結構, 有的呈管狀, 有的呈泡狀, 在膜表面為膜提供了可以讓更多水透過的位點, 進而增強了膜的透水性能.
如果通過電子顯微鏡觀察, 這些圖靈結構, 彷彿是一個個半圓形的帳篷密密麻麻地覆在膜的表面. 這些 '撐開' 的鼓鼓囊囊的 '帳篷型結構' 中間有很多空隙, 減少了水透過的阻力, 使得膜的分離性能比傳統製備方法製備的膜提高了3至4倍. 也就是說, 透過膜的水比原先要多出3至4倍, 大大降低了膜過程的產水成本, 提高了分離效率.
納濾膜的界面聚合製備, 往往只需要不到一分鐘的時間就完成了, 而加入親水大分子後擴散速率的變化傳統的測試方法幾乎失靈. 最終科研人員通過核磁共振進行表徵, 測定了加入親水高分子後兩個反應物擴散速率差, 驗證了實驗確實成功製備了一種具有圖靈結構的新型分離膜.
對於這項研究, 三位論文評審專家都給出了很高的評價. 其中一位評審專家認為, 這是一種非常有趣的新型脫鹽薄膜, '據我所知, 這是首次嘗試在薄膜上製造納米尺度圖靈結構的報道' .