浙大科学家成功研制具有图灵结构的新式别离膜

  斑马的是非条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋弯曲……大天然中这些规矩重复的图画是怎样构成的，一直是个令人猎奇的问题。早在多年前，英国科学家图灵就猜测：某些重复的天然斑图可能是由两种特定物质（分子、细胞等）彼此反响或效果产生的。经过一个被他称为“反响分散”的进程，这两种组分将会自发地自组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑斓的斑驳等结构。后来的科学家证明了这个猜测，并将这类结构称为“图灵结构”。

  图灵结构产生的示意图。左面是指在反响-分散进程中两个反响物——活化剂和按捺剂的彼此效果；右边是该进程中产生的两种典型图灵结构。

  最近，长期从事膜科学研讨的浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授团队把图灵结构与膜研讨结合起来，榜初次在薄膜上制作出了纳米标准的图灵结构。这项初次面向应用范畴构建图灵结构的研讨成果，于北京时刻5月4日宣布在世界尖端期刊《科学》上。

  浙江大学化学工程与生物工程学院2014级博士生谭喆为本文的榜首作者，张林教授为本文的通讯作者。化学工程与生物工程学院陈圣福教授、化学工程与生物工程学院兼职教授高从堦院士和浙江大学材料科学与工程学院彭重生教授协作参加了课题研讨。

  界面聚合制备超薄别离膜技能从上个世纪80年代面世沿用至今，现已适当老练，但同是界面聚合制备的纳滤膜和反浸透膜尽管制备工艺和反响机理完全一致，但两者的外表结构却差异很大：纳滤膜外表非常润滑，而反浸透膜外表呈峰谷结构，较为粗糙。

  张林团队决议对这个被“忽视”的问题进行深入研讨。在深究差异原因时，他们发现界面聚合进程归于典型的“反响-分散”系统。这个令人兴奋的发现，让他们很快联想到了图灵结构的构成条件。“咱们在剖析差异原因的进程中就在想，有没有可能把纳滤膜做成图灵结构？”

  图灵结构是指，在敞开的远离平衡的反响分散系统中，因分散效果引发系统失稳构成的一种化学物质浓度依照空间周期性改动的静态浓度图画，也被称为“图灵斑图”。

  图灵结构产生的必要条件，便是两个反响物的分散系数之差要到达一个数量级以上。研讨团队想要寻找到一种办法改动反响物的分散系数差异，使其能满意这个条件。“现在两个反响物的分散现已一快一慢，但没有到达产生图灵结构的要求，这就要让分散系数小的变得更小，拉大两者的距离。”

  经过仔细剖析和评论，研讨团队提出在分散系数小的反响物水溶液中参加阻止反响物分散的亲水大分子，这项作业就好比是拉住其间分散慢的反响物的“大腿”，让它跑得更慢一点。在许多的试验中，科研人员测验增加各种亲水大分子，使溶于水的反响物向油中分散的速率降下来，并在水与油的触摸面上，与油中的反响物产生反响构成具有周期性改动的图灵结构的新式纳滤膜。

  在长期的不断试验后，科研人员发现聚乙烯醇作为按捺反响物分散的亲水大分子的效果最好。

  图灵结构聚酰胺膜生成的示意图。左面是在水相反响物系统中参加聚乙烯醇，下降反响物分散系数的界面聚合反响进程；右边是不同聚乙烯醇增加量生成的具有点状和条状图灵结构的聚酰胺膜扫描电镜图。

  有了聚乙烯醇对反响物分散的“阻止”效果，本来平坦润滑的膜外表真的就“长”出了图灵结构。这些只要20-30纳米细密的、具有周期性规则的图灵结构，有的呈管状，有的呈泡状，在膜外表为膜供给了能够让更多水透过的位点，从而增强了膜的透水功能。

  假如经过电子显微镜调查，这些图灵结构，似乎是一个个半圆形的帐子鳞次栉比地覆在膜的外表。这些“撑开”的鼓鼓囊囊的“帐子型结构”中心有许多空地，减少了水透过的阻力，使得膜的别离功能比传统制备办法制备的膜提高了3至4倍。也便是说，透过膜的水比原先要多出3至4倍，大幅度的下降了膜进程的产水本钱，提高了别离功率。

  张林教授介绍，纳滤是当时最先进的水处理技能之一，下降处理本钱将在工业水回用、饮用水安全保证、雨水资源化使用以及西部苦咸水处理等范畴发挥积极效果。

  上图是用金纳米颗粒验证图灵结构聚酰胺膜上水浸透位点空间散布的透射电镜图；下图是水传递经过图灵结构聚酰胺膜的示意图。

  在试验上成功研制出具有图灵结构的新式膜后，还要从理论上加以证明。判别是否为图灵结构的标准是图画或结构出现周期性改动，而且反响进程中两个反响物的分散之差到达一个数量级以上。图画的周期性改动，科研团队能够经过调查和方程求解得到理论认证，但丈量分散极差一度成为整个验证的难点。

  纳滤膜的界面聚合制备，往往只需要不到一分钟的时刻就完成了，而参加亲水大分子后分散速率的改动传统的测验办法简直失灵。终究科研人员经过核磁共振进行表征，测定了参加亲水高分子后两个反响物分散速率差，验证了试验的确成功制备了一种具有图灵结构的新式别离膜。

  关于这项研讨，三位论文评定专家都给出了很高的点评。其间一位评定专家觉得，这是一种很风趣的新式脱盐薄膜，“据我所知，这是初次测验在薄膜上制作纳米标准图灵结构的报导”。

  本研讨特别称谢浙江大学电子显微中心（生命科学分部）、化学工程联合国家重点试验室测验渠道和化学系剖析测验渠道供给的技能上的支撑；物理系赵学安教授对反响-分散方程的评论。本研讨得到了国家天然科学基金和国家基础研讨方案的支撑。