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聊鲜 | 浙江大学研发超级净水膜,图灵结构首次实现实际应用

技术贸易促进365联盟2018-12-04 09:52:42

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浙江大学的科学家最近开发了一款超级净水膜,能将海水中的盐分和水快速地分离开来,速度可达传统净水膜的3倍。更关键的是,这种净水膜采用了一种独特的空间构型,正是著名计算机学家艾伦·图灵预测的“图灵结构”,这也是图灵结构首次走出实验室。北京时间5月4日,这项首次面向应用领域构建图灵结构的研究成果发表在了国际顶级期刊《科学》上。

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浙大团队用创新致敬图灵


 

先来了解一下什么是图灵结构


图灵是第一个通过简单化学和数学模型来解释形态形成的人。他认为,同样的生物学细胞能够通过一个被称为细胞间反应扩散的过程,发生分化、改变形状并形成特定的细胞模式。在此机制中,两种主要的反应物(或细胞)将相互作用,发生化学反应并在空间中发生扩散。其中一种促进反应的发生被称为“激活因子”,另一种抑制反应的进行被称为“抑制因子”。两者相遇后一边反应一边扩散,在均匀的情况下,这个系统会呈现出均相体系特征,不会产生图案;但两者扩散存在差异达到一定程度时,会导致系统失稳,最终形成周期性的复杂图案,而这就是文章开头提到的图灵结构。



再说回浙大的最新研究成果。海水淡化即利用海水脱盐生产淡水,是实现水资源利用的开源增量技术,可以增加淡水总量。现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法以及碳酸铵离子交换法,其中反渗透膜法及蒸馏法是市场主流。反渗透膜法中,反渗透膜的设计和制作是其中的关键之一,如何设计并低成本地制作高效率的反渗透膜也是困扰世界科学家的难题。



为解决这个难题,长期从事膜科学研究的浙江大学化学工程与生物工程学院教授张林领导的团队把图灵结构与膜研究结合起来,第一次在薄膜上制造出了纳米尺度的图灵结构。研究人员利用“反应-扩散”机制,制作了以聚酰胺为基底的三维图灵结构,这也是科学家将图灵结构首次投入实际应用中。


这项研究中,反应的原料是哌嗪和三甲酰氯,但这两种物质在往常合成聚酰胺的条件下扩散能力差不多,不足以达到形成图灵结构的条件。于是浙大研究团队将“聚乙烯醇”加入到哌嗪中,用来“拖住”它的脚步。如此一来,完美地将哌嗪和三甲酰氯分别设置为图灵结构形成机制的“激活因子”和“抑制因子”,拥有三维图灵结构的净水膜也就形成了。形成的净水膜表面粗糙且具有网状结构,而根据反应物的配比不同,能形成表面形貌完全不同的两种净水膜。

 

这样的结构不仅是对图灵的致敬,更重要的是增加了净水膜的表面积。简单而言,在这样的净水膜表面会有更多的让水通过的通道,进而增强了膜的透水性能。另一方面,如果通过电子显微镜进行观察,这些三维的图灵结构形成了一张网状结构,其中有很多空隙,减少了水透过的阻力,使得膜的分离性能比传统制备方法制备的膜要优良得多。经内部测试,图灵净水膜的净水速度比传统净水膜快3倍。


 

图灵结构走出实验室的重大意义


 

尽管图灵净水膜引起了不小的轰动,但它的性能还是受到了一些质疑。根据实验数据显示,图灵净水膜对于某些无机盐的去除能力很好,但是对于盐分的去除能力有限。研究团队对此表示,可以先将图灵净水膜用于海水净化的预处理阶段,去除盐分还是可以采用传统的反渗透膜。


 

“我们发现了图灵结构纳滤膜的形成机理,下一步将开发性能更为优异的净水膜。”张林说。与传统制造工艺相比,这项膜制备技术不必对现有生产线做任何改造,就能生产出性能更优的净水膜,有良好的应用前景。

 

且不论这样的图灵净水膜能否适用于传统的净水工业,这样的净水膜是对图灵提出的“扩散-反应”理论的一种肯定。图灵结构在大自然可以找到很多例子,但是此前人工合成的图灵结构还只停留在二维的层面,而张林教授的图灵净水膜拥有的是三维的图灵结构。这是图灵结构走出实验室的第一步,是图灵结构走向应用的敲门砖。


 

来自德国弗里德里希-米切尔实验室的系统生物学家穆勒就表示,这样的技术如果能将制作过程标准化,图灵结构也能用在再生医学中,例如生产人工静脉或骨头。而一旦攻克了生产这些复杂的空间结构,下一步就是合成人造的器官。





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