浙江大學科研團隊日前在國際頂級期刊《科學》上發表論文，對首張“圖靈結構”凈水膜在實驗室的誕生作了具體介紹，這也表明有關“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。

　　在《科學》上發表的論文第一作者為浙江大學化學工程與生物工程學院博士生譚喆，通訊作者為浙大化學工程與生物工程學院張林教授。一位論文審稿人認為：“據我所知，這是首次嘗試在薄膜上制造納米尺度‘圖靈結構’的報道。”

　　自然界處處可見紛繁復雜、精妙絕倫的圖案與形態：云卷云舒，動物的斑紋，還有植物的輪狀葉序，它們傳遞著自然之美，也激發著科學家的好奇心。1952年，著名的現代計算機與人工智能科學家圖靈提出猜想：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。

　　此后，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，影響著小鼠毛發的密度分布差異。

　　同時，實驗科學家一直在尋找“圖靈結構”的實例，但難度很大。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”。

　　在圖靈提出猜想的60多年后，張林的實驗室里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。

　　納濾膜是廣泛用于深度水處理、硬水軟化、苦咸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。制造納濾膜，主要通過界面聚合反應實現：哌嗪和均苯三甲酰氯兩種小分子分別溶解于水和油中，互不相容的水油接觸后，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，一層平整致密、100納米左右厚的高分子薄膜就形成了。

　　長期從事膜分離技術研究的張林對界面聚合反應很熟悉。這種方法不僅可用于制造納濾膜，也被廣泛用于制造反滲透膜。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。“為什么會有這樣的不同，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，他在學校附近散步，路上偶遇了一只梅花鹿。散布在梅花鹿身上圓圓的斑點讓他靈光一現：他想起了圖靈寫的論文《形態發生的化學基礎》，其中就提到了生命世界的形態與紋理。圖靈正是用一個“反應—擴散”方程，來揭示自然形態的化學本質。隨后，課題組經過討論，提出制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制備過程。”張林介紹說，課題組陸續嘗試在水中添加不同類型的親水大分子：淀粉、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，科研人員欣喜地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。

　　不過，張林課題組納濾膜表面“制造”的復雜紋理，確實屬于“圖靈結構”嗎？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。判斷屬于圖靈“反應—擴散”方程的關鍵之處在于，反應中的活化劑和抑制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酰氯的擴散速率差異不足以產生“圖靈結構”，而加入聚乙烯醇后，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，哌嗪與均苯三甲酰氯“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。“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，用來指導凈水膜的制備。

　　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。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，納濾是當前最先進的水處理技術之一，能降低處理成本。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。

　　“本技術僅在傳統制備納濾膜的過程中增加了添加親水大分子的工序，不必對現有生產線做任何改造，容易實現工業化。”張林說，這項技術在工業水回用、飲用水安全保障、雨水資源化利用以及西部苦咸水處理等領域將發揮積極作用。

　　該項研究的合作者還包括浙江大學化學工程與生物工程學院陳圣福教授、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等團隊，并得到了國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）的支持。