中國研究團隊利用 '圖靈結構' 開發出一款新型納濾膜, 其透水速率是傳統納濾膜的三到四倍, 有望提高飲用水深度處理, 苦鹹水淡化, 工業水回收等領域的制水效率並降低成本. 3日發表在美國《科學》雜誌上的研究顯示, 浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授團隊將計算機與人工智慧之父, 英國科學家阿蘭·圖靈提出的 '反應- 擴散方程' 與膜研究結合起來, 首次在薄膜上製造出了納米尺度的 '圖靈結構' .
圖靈曾在1952年發表《形態發生的化學基礎》一文, 嘗試用簡潔的數學公式解釋複雜生命形態背後的化學機理. 他認為任何重複的自然圖案都是通過兩種具有特定特徵的事物 (如分子, 細胞等) 相互反應產生的, 根據他提煉出的 '反應- 擴散方程' , 這兩種組分由於擴散差異導致系統失穩, 最終形成斑紋, 條紋, 斑點等 '圖靈結構' . 圖靈推測, 斑馬等生物體表面的圖紋可能就是該反應- 擴散體系的結果.
納濾膜是孔徑在1納米以上, 允許某些分子或離子等透過的功能性半透膜, 能去除水中特定的有機物, 色素和鹽, 主要通過 '界面聚合反應' 來製備.
研究人員首先讓呱嗪和均苯三甲醯氯兩種小分子分別溶解於水和油中, 兩種小分子在水油交接處發生聚合反應, 幾秒鐘內形成一層平整緻密, 厚度約100納米的高分子薄膜. 但呱嗪和均苯三甲醯氯的擴散速率差異還不足以產生 '圖靈結構' .
隨後, 張林團隊向聚合反應中添加了聚乙烯醇, 降低了呱嗪的擴散速率, 最終制出一張具有納米級 '圖靈結構' 的納濾膜. 通過調節聚乙烯醇的濃度, 還可得到泡狀, 管狀等不同的 '圖靈結構' .
張林教授對新華社記者說, 中空的管狀或泡狀 '圖靈結構' 可提供更大的有效水傳遞面積, 因此材料擁有更高的水通量和鹽截留性能.
'本技術僅在傳統製備納濾膜的過程中增加了添加親水大分子的工序, 這種方法未對傳統工藝進行調整, 因此容易實現工業化. ' 張林說.
