中国研究团队利用 '图灵结构' 开发出一款新型纳滤膜, 其透水速率是传统纳滤膜的三到四倍, 有望提高饮用水深度处理, 苦咸水淡化, 工业水回收等领域的制水效率并降低成本. 3日发表在美国《科学》杂志上的研究显示, 浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授团队将计算机与人工智能之父, 英国科学家阿兰·图灵提出的 '反应- 扩散方程' 与膜研究结合起来, 首次在薄膜上制造出了纳米尺度的 '图灵结构' .
图灵曾在1952年发表《形态发生的化学基础》一文, 尝试用简洁的数学公式解释复杂生命形态背后的化学机理. 他认为任何重复的自然图案都是通过两种具有特定特征的事物 (如分子, 细胞等) 相互反应产生的, 根据他提炼出的 '反应- 扩散方程' , 这两种组分由于扩散差异导致系统失稳, 最终形成斑纹, 条纹, 斑点等 '图灵结构' . 图灵推测, 斑马等生物体表面的图纹可能就是该反应- 扩散体系的结果.
纳滤膜是孔径在1纳米以上, 允许某些分子或离子等透过的功能性半透膜, 能去除水中特定的有机物, 色素和盐, 主要通过 '界面聚合反应' 来制备.
研究人员首先让哌嗪和均苯三甲酰氯两种小分子分别溶解于水和油中, 两种小分子在水油交接处发生聚合反应, 几秒钟内形成一层平整致密, 厚度约100纳米的高分子薄膜. 但哌嗪和均苯三甲酰氯的扩散速率差异还不足以产生 '图灵结构' .
随后, 张林团队向聚合反应中添加了聚乙烯醇, 降低了哌嗪的扩散速率, 最终制出一张具有纳米级 '图灵结构' 的纳滤膜. 通过调节聚乙烯醇的浓度, 还可得到泡状, 管状等不同的 '图灵结构' .
张林教授对新华社记者说, 中空的管状或泡状 '图灵结构' 可提供更大的有效水传递面积, 因此材料拥有更高的水通量和盐截留性能.
'本技术仅在传统制备纳滤膜的过程中增加了添加亲水大分子的工序, 这种方法未对传统工艺进行调整, 因此容易实现工业化. ' 张林说.
