圖靈「跨界」六十多年後，浙大研究者合成出了他預測的結構

原文以Water filter inspired by Alan Turing passes first test為標題

發布在2018年5月3日的《自然》新聞上

原文作者：Mark Zastrow

一種新型凈水膜的結構符合圖靈在一篇生物學論文中的預測。

幾位中國科學家研製出了一種能夠以傳統濾膜三倍的速度濾掉水中鹽分的濾膜。這種膜具有獨特的納米級管狀結構，靈感來自於密碼學家艾倫·圖靈的數學生物學研究。

Stephen Kettle的板岩雕塑——艾倫·圖靈。圖靈不僅是著名的計算機科學家和密碼學家，而且還涉足過數學生物學。

Credit:Steve Meddle/REX/Shutterstock

研究人員表示，這種濾膜是迄今為止最精細的「圖靈結構」的實例，而且是這類結構的第一個實際應用。「這些3D結構十分特別。」來自德國弗雷德里希·米歇爾實驗室（Friedrich Miescher Laboratory）的系統生物學家Patrick Müller說。組成濾膜的一股股管狀結構的直徑只有幾十納米，用其他方法（比如3D列印）是不可能製作出來的。這項研究發表在5月3日的《科學》（Science）上。

英國數學家艾倫·圖靈為大眾熟知，是靠他在二戰期間幫助英國政府破譯電碼的成績，以及他作為計算機科學和人工智慧科學之父的地位。但他還有一項開創性的研究是在數學生物學領域，在他發表該成果的1952年，那還是一個剛剛萌芽的領域。兩年後他便離開人世。

在這項研究中，他提出了一個數學模型來描述一個胚胎的細胞開始形成各種結構的過程，比如四肢、骨骼和器官。在這個過程中，兩種物質持續發生反應，而它們在體系中擴散的速率相差很大。擴散較快的反應物——被稱為抑製劑——阻礙擴散較慢的被稱為活化劑的成分，最終實現的產物則會出現點狀或帶狀的紋理。（這些術語是生物學家Hans Meinhardt和Alfred Gierer創造的，他們在1972年獨立描述了相同的理論。）

發現模式

這種過程是否真的發生在細胞層面一直是有很大爭議的，Müller說。但這種反應-擴散行為已經被用來解釋很多自然和社會現象，包括斑馬的條紋、沙地的波紋和金融市場的波動。

然而迄今為止，實驗室中合成這類結構的試驗基本都停留在2D結構。

由浙江大學材料科學家張林帶領的團隊著手創造了基於聚醯胺（一種類似於尼龍纖維的材料）的3D圖靈結構，利用哌嗪和均苯三甲醯氯之間的反應實現。在傳統的合成過程中，均苯三甲醯氯的擴散速率比哌嗪快，但速率差異並不足以造成圖靈結構。張林團隊的巧妙之處在於向哌嗪中添加了聚乙烯醇，進一步降低哌嗪的擴散速率，使其相對於均苯三甲醯氯的抑製劑作用起到活化劑的作用。

最終產物是一個粗糙多孔的網狀膜，它的納米級圖靈結構可以在電子顯微鏡下觀察到。這個團隊成功製作出了點狀和管狀的不同結構——圖靈模型預測的兩種自組織結構。

掃描電子顯微鏡下的點狀和管狀的圖靈膜。

Credit: Z. Tanet al./Science

張林說，製作出圖靈結構讓研究人員感到非常激動。不過更令他們驚訝的是，他們合成的膜材料可以用作高效的濾水膜，在某些方面超過了傳統的尼龍類濾膜。

首爾漢陽大學的膜科學家Ho Bum Park介紹道，這種濾膜的管狀結構使它的表面積比傳統濾膜大，因而通過膜的水流量更大。他說，這在傳統膜結構的基礎上是一個進步，就像增添了一系列的高峰低谷，「是一個很巧妙的辦法。」

在張林團隊的試驗中，用管狀圖靈膜過濾一次能夠把淡鹽水的食鹽濃度減半。它也能過濾掉其它的鹽：超過90%的氯化鎂，以及超過99%的硫酸鎂（瀉鹽）。文章作者說，1平方米的濾膜每小時能處理多達125升的水，而施加壓力只需要相對不高的5個大氣壓。張林說，這個速度大約是一般的商業濾膜的三倍。張林認為這種圖靈膜可以用於凈化淡鹽水和工業廢水。

其它障礙

儘管這種膜去除一些雜質的效率很高，但是Ho Bum Park認為它在去除食鹽上的效率不高會導致它很難應用于海水淡化。張林說，它可以被用于海水淡化工廠中的前處理，而食鹽則用反滲透之類的傳統方法去除。

Müller表示，如果這項技術能夠推廣開來，這樣的管狀結構可以應用於再生醫學，例如生產人造血管或骨骼。「而且，當你知道了如何製造微管，你大概就能把這些結構排列組合成更高級的結構，甚至可能造出器官來，」他說，「這才是夢想中的應用前景。」

不過Müller也提到，由於預測這類結構能否生成還存在著不確定性，或許很難在其它材料中重現類似的結構。

張林說，即使事實證明確實如此，這個圖靈膜也是對艾倫·圖靈1952年那篇重要文章的一種致敬，「這是他留下的遺產的一部分。」?

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