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浙江大学张林团队图灵结构滤膜是对传统膜结构的改进
《环球科学》编译 钟艾辛 / 时间:2018-09-26 11:58:27

  据中国数字科技馆2018年9月21日讯 中国的研究人员已经开发出了一种过滤膜,可以将盐从水中去除,过滤速度是传统滤膜的三倍,这种膜具有独特的管状纳米结构,灵感来源于密码破解者艾伦·图灵(Alan Turing)的数学生物学研究。艾伦·图灵是计算机科学家和密码破解者,但他也涉足数学生物学。


浙江大学张林团队图灵结构滤膜是对传统膜结构的改进

图为斯蒂芬·凯普(Stephen Kettle)创作的艾伦·图灵石板雕像(源自:Steve Meddle/REX/Shutterstock)


  这种过滤膜是数学家构建出的最精细的“图灵结构”,也是该结构的第一个实际应用。德国图宾根(Tübingen)弗里德里希·米舍尔(Friedrich Miescher)实验室的系统生物学家帕特里克·穆勒(Patrick Müller)说:“这些3D结构非常特别。”他说,管状过滤器的直径只有几十分之一纳米,不可能通过3D打印之类的方法制造。这项研究发表在5月3日的《科学(Science)》杂志上。
  英国数学家阿兰·图灵以他在二战期间为英国政府破译密码而闻名,他也是计算机科学和人工智能之父。1952年,在他去世前两年,他还在当时新兴的数学生物学领域做出了一项开创性的工作。
  在那篇文章中,他提出了一个数学模型,描述了胚胎细胞开始分化为四肢、骨骼和器官的过程。在这个过程中,两种物质不断地相互反应,但以不同的速率在容器中扩散。扩散快速的反应物(被称为抑制剂)推动较慢的反应物(叫做激活剂),有效地将生成的产物转化成斑点或条纹图案。(这个术语是由生物学家Hans Meinhardt和Alfred Gierer提出的,他们在1972年独立提出了相同的理论。)
  斑点模式
  穆勒(Müller)说,这样一个过程是否真的发生在细胞层面上一直在激烈的争论中,但是这种反应的扩散行为也被用来说明自然界和社会的模式,包括斑马纹、沙波和金融市场的动荡。
  然而到目前为止,在实验室中合成这种结构的尝试大多局限于2D模式。
  由浙江大学的材料科学家张林(Lin Zhang)领导的一个研究小组,着手从聚酰胺(一种类似尼龙的材料)中制造出一种三维的图灵结构,这种材料是由化学品哌嗪和均苯三甲酰氯通过反应得到的。在常规的过程中,均苯三甲酰氯的扩散速度比哌嗪要快,但其差异还不足以产生图灵结构。张林的诀窍是在哌嗪中加入聚乙烯醇,进一步降低其扩散速率,并使其成为激活剂。
  实验结果是形成一个粗糙的多孔网状结构,其纳米结构类似于图灵图案,可以在电子显微镜下看到。该团队能够制造出点状和管状的变体,这是图灵模型预测的两种自组织结构。


浙江大学张林团队图灵结构滤膜是对传统膜结构的改进

在扫描电子显微镜下观察到的点状和管状结构的图灵型薄膜(源自:Z. Tan et al./Science)


  张林说,研究人员很高兴能制造出图灵结构,但是,他们惊讶于这种膜在某些方面超越了传统的尼龙过滤膜,能作为高效滤水器。
  首尔汉阳大学(Hanyang University)的膜科学家Ho Bum Park说,与传统的过滤膜相比,管状结构给膜提供了更大的表面积,从而增加了通过薄膜的水流。他说:“这是对传统膜结构的改进,它类似于一系列的山脊和山谷,这是一种非常聪明的做法。”
  在张林团队的测试中,淡盐水每次通过管状图灵过滤膜,其盐含量就减少一半,它还过滤掉了其他盐类,如过滤掉了超过90%的氯化镁,超过99%的硫酸镁或者说泻盐。编辑说,1平方米的滤膜每小时可处理多达125升水,同时在大约5倍大气压力的相对低压下泵送。张说,这比典型的商业滤膜快了三倍,图灵滤膜可用于净化淡盐水和工业废水。
  其他障碍
  虽然这种膜能有效去除一些杂质,但帕克(Park)说,它的除盐效率相对较低,这可能会使海水淡化变得不切实际。张林说,可以让海水先经过海水淡化装置预处理,再用常规方法除去盐,比如反渗透。
  穆勒说,如果这种技术可以推广,这种管状结构也可以在再生医学中应用,例如,生产人造血管或骨骼。他说:“一旦你知道如何制造这些管状结构,也许你就可以把这些结构排列成高阶结构,甚至制造出器官。现在,这将是梦想的应用。”
  但穆勒也指出,由于不确定这种结构是否会形成,它们在其他材料中可能很难重现。
  张林说:“即使事实证明是这样,这种膜也是对图灵1952年那篇论文的一种赞赏,这也是他遗产中的一部分。”

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