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首张图灵结构净水膜在我国诞生

2018-05-07 09:41:32|来源:人民日报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

  人民日报北京5月6日电:浙江大学科研团队日前在国际顶级期刊《科学》上发表论文,对首张“图灵结构”净水膜在实验室的诞生作了具体介绍,这也表明有关“图灵结构”的研究正从数十年来的理论层面推进到应用领域。

  在《科学》上发表的论文第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士生谭喆,通讯作者为浙大化学工程与生物工程学院张林教授。一位论文审稿人认为:“据我所知,这是首次尝试在薄膜上制造纳米尺度‘图灵结构’的报道。”

  自然界处处可见纷繁复杂、精妙绝伦的图案与形态:云卷云舒,动物的斑纹,还有植物的轮状叶序,它们传递着自然之美,也激发着科学家的好奇心。1952年,著名的现代计算机与人工智能科学家图灵提出猜想:我们所见的一部分生命世界的形态,本质上是一类不均衡的化学反应的结果。

  此后,陆续有生物学家在不同尺度的生命体系中发现“图灵结构”:斑马鱼体表的黑色和黄色色素细胞相互作用,在体表出现条状斑图;小鼠生成毛囊的基因表达过程中存在反应—扩散过程,它决定着毛囊间距,影响着小鼠毛发的密度分布差异。

  同时,实验科学家一直在寻找“图灵结构”的实例,但难度很大。直到上世纪90年代,法国科学家才通过“亚氯酸盐—碘—丙二酸反应”第一次在化学实验中观察证实了“图灵结构”。

  在图灵提出猜想的60多年后,张林的实验室里诞生了一张新型净水膜,它不同寻常的表面形貌正符合图灵当年提出的“图灵结构”理论。与普通的纳滤膜相比,“图灵结构”的纳滤膜具有3—4倍的透水性能。

  纳滤膜是广泛用于深度水处理、硬水软化、苦咸水处理等领域的重要材料,它能去除水中特定的有机物、色素与盐。制造纳滤膜,主要通过界面聚合反应实现:哌嗪和均苯三甲酰氯两种小分子分别溶解于水和油中,互不相容的水油接触后,两种小分子在水油界面处发生聚合反应,可能短短的几秒钟内,一层平整致密、100纳米左右厚的高分子薄膜就形成了。

  长期从事膜分离技术研究的张林对界面聚合反应很熟悉。这种方法不仅可用于制造纳滤膜,也被广泛用于制造反渗透膜。但是,这两种膜的表面微观形貌有极大区别:纳滤膜光滑平整,而反渗透膜则粗糙不平。“为什么会有这样的不同,目前为止还没有人能很好地解释。”张林说。

  谭喆对这个现象也很困惑。有一天,他在学校附近散步,路上偶遇了一只梅花鹿。散布在梅花鹿身上圆圆的斑点让他灵光一现:他想起了图灵写的论文《形态发生的化学基础》,其中就提到了生命世界的形态与纹理。图灵正是用一个“反应—扩散”方程,来揭示自然形态的化学本质。随后,课题组经过讨论,提出制备纳滤膜的界面聚合反应正是一种典型的“反应—扩散”反应。

  “既然是这样,我们可以依据图灵的理论来调控纳滤膜的制备过程。”张林介绍说,课题组陆续尝试在水中添加不同类型的亲水大分子:淀粉、聚吡咯烷酮、聚乙二醇等,当试到聚乙烯醇时,纳滤膜的表面出现了条状的周期性图案——光滑的纳滤膜“变脸”了,电子显微镜下,科研人员欣喜地发现薄膜表面分布着纵横交错的20纳米左右厚的“管道”或“圆泡”。经过测试,膜的透水性能翻了倍。

  不过,张林课题组纳滤膜表面“制造”的复杂纹理,确实属于“图灵结构”吗?要给出这个答案,张林课题组必须重新对制膜过程观察、解析。判断属于图灵“反应—扩散”方程的关键之处在于,反应中的活化剂和抑制剂各自的扩散速率必须有数量级的差异。

  经过核磁共振实验,科学家发现哌嗪和均苯三甲酰氯的扩散速率差异不足以产生“图灵结构”,而加入聚乙烯醇后,哌嗪的扩散速率明显下降。是聚乙烯醇让哌嗪放慢了“脚步”,在界面聚合过程中,哌嗪与均苯三甲酰氯“舞”出了不一样的路线,最终形成了一张具有纳米级“图灵结构”的纳滤膜。“通过调节聚乙烯醇不同的浓度,我们得到了管状、泡状等不同的‘图灵结构’。”张林说,这项研究是第一次将“图灵结构”拓展到应用领域,用来指导净水膜的制备。

  具有“图灵结构”的净水膜,透水性能大大突破了纳滤膜的透水极限,透水效率比常规纳滤膜高出3—4倍。因为“图灵结构”的表面纹理凹凸不平,赋予了净水膜更多的透水位点。

  “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,纳滤是当前最先进的水处理技术之一,能降低处理成本。中空的管状或泡状“图灵结构”可提供更大的有效水传递面积,因此材料拥有更高的水通量和盐截留性能。

  “本技术仅在传统制备纳滤膜的过程中增加了添加亲水大分子的工序,不必对现有生产线做任何改造,容易实现工业化。”张林说,这项技术在工业水回用、饮用水安全保障、雨水资源化利用以及西部苦咸水处理等领域将发挥积极作用。

  该项研究的合作者还包括浙江大学化学工程与生物工程学院陈圣福教授、材料科学与工程学院彭新生教授以及化学工程与生物工程学院兼职教授高从堦院士等团队,并得到了国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持。(余建斌 江 南 周 炜)

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