早在60多年前，英國科學家圖靈就預測：某些重復的自然斑圖可能是由兩種特定物質(zhì)（分子、細胞等）相互反應或作用產(chǎn)生的。通過一個被他稱為“反應-擴散”的過程，這兩種組分將會自發(fā)地自組織成斑紋、條紋、環(huán)紋、螺旋或是斑駁的斑點等結(jié)構。后來的科學家證實了這個猜想，并將這類結(jié)構稱為“圖靈結(jié)構”。
長期從事膜科學研究的浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授團隊把圖靈結(jié)構與膜研究結(jié)合起來，第一次在薄膜上制造出了納米尺度的圖靈結(jié)構。這項首次面向應用領域構建圖靈結(jié)構的研究成果，于5月4日發(fā)表在國際頂級期刊《科學》上。
（圖靈結(jié)構產(chǎn)生的示意圖。左邊是指在反應-擴散過程中兩個反應物——活化劑和抑制劑的相互作用；右邊是該過程中產(chǎn)生的兩種典型圖靈結(jié)構。）
界面聚合制備超薄分離膜技術從上個世紀80年代問世沿用至今，已經(jīng)相當成熟，但同是界面聚合制備的納濾膜和反滲透膜雖然制備工藝和反應機理完全一致，但兩者的表面結(jié)構卻差異很大：納濾膜表面光滑，而反滲透膜表面呈峰谷結(jié)構，較為粗糙。
為什么會有如此明顯的差別？張林團隊決定對這個被“忽視”的問題進行深入研究。在深究差異原因時，他們發(fā)現(xiàn)界面聚合過程屬于典型的“反應-擴散”體系。這個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，讓他們很快聯(lián)想到了圖靈結(jié)構的形成條件?！拔覀冊诜治霾町愒虻倪^程中就在想，有沒有可能把納濾膜做成圖靈結(jié)構？”
經(jīng)過仔細分析和討論，研究團隊提出在擴散系數(shù)小的反應物水溶液中加入阻礙反應物擴散的親水大分子。在大量的實驗中，科研人員嘗試添加各種親水大分子，使溶于水的反應物向油中擴散的速率降下來，并在水與油的接觸面上，與油中的反應物發(fā)生反應形成具有周期性變化的圖靈結(jié)構的新型納濾膜。
在長時間的不斷試驗后，科研人員發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇作為抑制反應物擴散的親水大分子的效果最好。
有了聚乙烯醇對反應物擴散的“阻礙”作用，原本平整光滑的膜表面真的就“長”出了圖靈結(jié)構。張林教授介紹，納濾是當前先進的水處理技術之一，降低處理成本將在工業(yè)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發(fā)揮積極作用。
在實驗上成功研制出具有圖靈結(jié)構的新型膜后，還要從理論上加以論證。判斷是否為圖靈結(jié)構的標準是圖案或結(jié)構呈現(xiàn)周期性變化，并且反應過程中兩個反應物的擴散之差達到一個數(shù)量級以上。圖案的周期性變化，科研團隊可以通過觀察和方程求解得到理論認證，但測量擴散極差一度成為整個驗證的難點。
納濾膜的界面聚合制備，往往只需要不到一分鐘的時間就完成了，而加入親水大分子后擴散速率的變化傳統(tǒng)的測試方法幾乎失靈。最終科研人員通過核磁共振進行表征，測定了加入親水高分子后兩個反應物擴散速率差，驗證了實驗確實成功制備了一種具有圖靈結(jié)構的新型分離膜。
對于這項研究，三位論文評審專家都給出了很高的評價。其中一位評審專家認為，這是一種非常有趣的新型脫鹽薄膜，“據(jù)我所知，這是首次嘗試在薄膜上制造納米尺度圖靈結(jié)構的報道”。
浙江大學化學工程與生物工程學院2014級博士生譚喆為本文的第一作者，張林教授為本文的通訊作者?；瘜W工程與生物工程學院陳圣福教授、化學工程與生物工程學院兼職教授高從堦院士和浙江大學材料科學與工程學院彭新生教授合作參與了課題研究。本研究得到了國家自然科學基金和國家基礎研究計劃的支持。
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