Science：基於圖靈的猜想，浙大科學家開發出超級凈水膜

撰文丨《環球科學》特約記者 周煒

自然界處處可見紛繁複雜、精妙絕倫的圖案與形態：雲捲雲舒，動物的斑紋還有植物的輪狀葉序，它們傳遞著自然之美，也激發著科學家好奇心。1952年，現代計算機與人工智慧之父艾倫·圖靈提出猜想：我們所見的一部分生命世界的形態，本質上是一類不均衡的化學反應的結果。

60多年後，浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授的實驗室誕生了一張新型凈水膜，它不同尋常的表面形貌正符合圖靈當年提出的圖靈結構理論。與普通的納濾膜相比，圖靈結構的納濾膜具有3-4倍的透水性能。

相關論文「Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification」（具有納米尺度圖靈結構的水凈化聚醯胺膜, DOI：10.1126/science.aar6308）5月4日在頂級科學期刊《科學》上發表。第一作者是博士生譚喆。一位論文審稿人認為：「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。」有關圖靈結構的研究正從數十年來的理論層面推進到應用領域。

「變臉」的納濾膜

納濾膜是廣泛用於深度水處理、硬水軟化、苦鹹水處理等領域的重要材料，它能去除水中特定的有機物、色素與鹽。製造納濾膜，主要通過界面聚合反應實現：哌嗪和均苯三甲醯氯兩種小分子分別溶解於水和油中，互不相容的水油接觸後，兩種小分子在水油界面處發生聚合反應，可能短短的幾秒鐘內，一層平整緻密、100納米左右厚的高分子薄膜就形成了。

納濾膜樣品

長期從事膜分離技術研究的張林教授對界面聚合反應很熟悉。這種方法不僅可用於製造納濾膜，也被廣泛用於製造反滲透膜。但是，這兩種膜的表面微觀形貌有極大區別：納濾膜光滑平整，而反滲透膜則粗糙不平。「為什麼會有這樣的不同，目前為止還沒有人能很好地解釋。」張林說。

譚喆對這個現象也很困惑。有一天，他去學校附近的永福寺散步，路上偶遇了一隻梅花鹿。散布在梅花鹿身上圓圓的斑點讓他靈光一現：他想起了英國偉大的科學奇才圖靈，想到了他寫的論文《形態發生的化學基礎》，想到了他在論文中提及的生命世界的形態與紋理。

天才圖靈用一個「反應-擴散」方程，揭示了自然形態的化學本質。課題組經過討論，提出製備納濾膜的界面聚合反應正是一種典型的「反應-擴散」反應。「既然是這樣，我們可以依據圖靈的理論來調控納濾膜的製備過程。」張林介紹，研究組陸續嘗試在水中添加不同類型的親水大分子：澱粉、聚吡咯烷酮、聚乙二醇等，當試到聚乙烯醇時，納濾膜的表面出現了條狀的周期性圖案——光滑的納濾膜「變臉」了，電子顯微鏡下，科學家欣喜的發現薄膜表面分布著縱橫交錯的20納米左右厚的「管道」或「圓泡」。經過測試，膜的透水性能翻了倍。

掃描電子顯微鏡下的兩種圖靈結構納濾膜，左邊為點狀結構，右邊為條狀結構。（來源：課題組）

化學版的生命遊戲

《形態發生的化學基礎》是圖靈1952年發表的一篇生物化學論文，通篇以專業的數學語言，嘗試用簡潔的數學公式，解釋複雜精妙的生命形態背後的化學機理，後人稱之為「化學版的生命遊戲」。

在論文中，圖靈建立了著名的「反應-擴散方程」，認為生命體中存在一類「形態成形素」，一種促進反應的發生，另一種抑制反應的進行，相遇後一邊反應一邊擴散。在均勻的情況下，這個系統會呈現出均相體系特徵，不會產生圖案，但兩者擴散存在差異，達到一定程度時，會導致系統失穩，最終形成周期性的複雜圖案。圖靈當年推測，斑馬等生物體表的圖紋可能就是該反應-擴散體系的結果。

生命世界的圖靈結構

此後，陸續有生物學家在不同尺度的生命體系中發現圖靈結構：斑馬魚體表的黑色和黃色色素細胞相互作用，在體表出現的條狀斑圖；小鼠生成毛囊的基因表達過程中存在反應-擴散過程，它決定著毛囊間距，影響著小鼠毛髮的密度分布差異；魚鰭內骨骼中指頭的數目，也是幾個基因因圖靈機制產生的結果。

與此同時，實驗科學家一直在尋找圖靈結構的實例，但難度很大。歐陽頎院士在《反應擴散系統中的斑圖動力學》中分析：困難在於「要找到一個反應系統，其中活化劑的擴散速度要比抑製劑小許多。但在大部分的系統中，擴散係數是大致相當的。」

直到上世紀90年代，法國科學家才通過「亞氯酸鹽-碘-丙二酸反應」，第一次在化學實驗中觀察證實了圖靈結構。

薄膜上的圖靈結構

張林課題組納濾膜表面「製造」複雜紋理，確實屬於圖靈結構嗎？如果是，這或許是人們第一次在工業產品中製造出圖靈結構。

要給出這個答案，張林課題組必須重新對制膜過程觀察、解析。判斷是否屬於圖靈反應-擴散方程的關鍵之處在於，反應中的活化劑和抑製劑各自的擴散速率必須有數量級的差異。

經過核磁共振實驗，科學家發現哌嗪和均苯三甲醯氯的擴散速率差異不足以產生圖靈結構，而加入聚乙烯醇後，哌嗪的擴散速率明顯下降。是聚乙烯醇讓哌嗪放慢了「腳步」，在界面聚合過程中，哌嗪與均苯三甲醯氯「舞」出了不一樣的路線，最終形成了一張具有納米級圖靈結構的納濾膜。

具有圖靈結構的納濾膜製備示意圖。（來源：課題組）

「通過調節聚乙烯醇不同的濃度，我們得到了管狀、泡狀等不同的圖靈結構。」張林說，這項研究是第一次將圖靈結構拓展到應用領域，用來指導凈水膜的製備。

具有圖靈結構的納濾膜，具有更大的透水表面積。

具有圖靈結構的凈水膜，透水性能大大突破了納濾膜的透水極限，透水效率比常規納濾膜高出3-4倍。這是因為圖靈結構的表面紋理凹凸不平，賦予了凈水膜更多的透水位點。 「我們發現了圖靈結構納濾膜的形成機理，下一步將開發性能更為優異的凈水膜。」張林說。與傳統製造工藝相比，這項膜製備技術不必對現有生產線做任何改造，就能生產出性能更優的凈水膜，會有良好的應用前景。

圖：課題組部分成員，左起依次為張林、譚喆、陳聖福、彭新生。（攝影：盧紹慶）

這項研究的合作者分別為浙江大學化學工程與生物工程學院陳聖福教授、材料科學與工程學院彭新生教授以及化學工程與生物工程學院兼職教授高從堦院士。該項研究得到了國家自然基金和國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)的支持。

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