全球首例「圖靈結構」凈水膜溫室，浙江大學完美呈現

05-20

來自專欄 DeepTech深科技

浙江大學的科學家最近開發了一款超級凈水膜，能將海水中的鹽分和水快速地分離開來，速度將是傳統凈水膜的 3 倍。更讓科學界瘋狂的是，這種凈水膜採用了一種獨特的空間構型，正是 60 多年前著名計算機學家艾倫·圖靈預測的「圖靈結構」。

這也是圖靈結構首次走出實驗室，被科學家實現了實際應用。

不想當生物學家的數學家不是好的計算機之父

世間萬物也有相，形態也是我們世間萬物的一個辨別標準。但是，當我們看見大自然中極具規律的圖案的時候，除了感嘆這是大自然的鬼斧神工，有沒有想過其背後的原理呢？斑馬的條紋、豹紋的斑點為什麼就是那樣的呢？

這些看似完美的圖案背後一定蘊藏著神奇的原理，英國偉大的數學家艾倫圖靈堅信著。這位「現代計算機之父」剛剛跨過自己在計算機領域的成就——「圖靈機」「圖靈測試」都是改變世界的理論。這一年，1952年，正是數學生物學的萌芽階段，圖靈對斐波那契葉序產生了興趣，嘗試採用數學原理解釋這樣的現象。他從中受到啟發，採用數學模型來分析生物形態變化的過程。由此，他發表了一篇名為《形態發生的化學基礎》(The Chemical Basis of Morphogenesis)，在文中提出了一種數學模型，並闡述了胚胎中的細胞以何種機制形成一些結構，例如軀幹、骨頭和器官。

圖靈是第一個通過簡單化學和數學模型來解釋形態形成的人。他認為，同樣的生物學細胞能夠通過一個被稱為細胞間反應擴散（intercellular reaction-diffusion）的過程，發生分化、改變形狀並形成特定的細胞模式。在此機制中，兩種主要的反應物（或細胞）將相互作用，發生化學反應並在空間中發生擴散。其中一種促進反應的發生被稱為「激活因子」（activator），另一種抑制反應的進行被稱為「抑制因子」（inhibitor）。兩者相遇後一邊反應一邊擴散，在均勻的情況下，這個系統會呈現出均相體系特徵，不會產生圖案；但兩者擴散存在差異達到一定程度時，會導致系統失穩，最終形成周期性的複雜圖案，例如圖1中點狀或者條狀的結構，而這就是我們文章開頭提到的圖靈結構。圖靈當年推測，斑馬等生物體表的圖紋可能就是該「反應-擴散」體系的結果。它們的條紋寬度、間隔距離都是非常精準的，不會因為「沒有墨水」而出現隨機的「列印圖案」。

圖 | 圖靈結構

具有圖靈結構的凈水膜

海水淡化即利用海水脫鹽生產淡水，是實現水資源利用的開源增量技術，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，可以保障沿海居民飲用水和工業鍋爐補水等穩定供水。現在所用的海水淡化方法有海水凍結法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法、以及碳酸銨離子交換法，目前應用反滲透膜法及蒸餾法是市場中的主流。反滲透膜法中，反滲透膜的設計和製作是其中的關鍵之一。如何設計並低成本地製作高效率的反滲透膜也是困擾世界科學家的難題。

來自浙江大學的科學家別出心裁，採用「反應-擴散」機制，製作了以聚醯胺（polyamid）為基底的三維圖靈結構，這也是科學家將圖靈結構首次投入實際應用中。

但是來自浙江大學的材料科學家張林教授，利用「反應-擴散」機制，製作了以聚醯胺（polyamid）為基底的三維圖靈結構，這也是科學家將圖靈結構首次投入實際應用中。反應的原料是哌嗪（piperazine）和三甲醯氯（trimesoyl chloride），但這兩種物質在往常合成聚醯胺的條件下擴散能力都差不多，三甲醯氯可能要微微快一點，這並不足以達到形成圖靈結構的條件。張林教授巧妙地將「聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）」加入到哌嗪中，用來「拖住」它的腳步。如此一來，完美地將哌嗪和三甲醯氯分別設置為圖靈結構形成機制的「激活因子」和「抑制因子」，而擁有三維圖靈結構的凈水膜也就形成了。形成的凈水膜表面粗糙且具有網狀結構，而根據反應物的配比不同，能形成表面形貌完全不同的兩種凈水膜，如圖所示的點狀和條狀圖案。

圖 | 聚醯胺凈水膜的合成

圖 | 凈水膜表面形貌掃描電子顯微鏡圖片

這樣的結構不僅僅是對圖靈的致敬，它增加了凈水膜的表面積。簡單而言，在這樣的凈水膜表面會有更多的讓水通過的通道，進而增強了膜的透水性能。另一方面，如果通過電子顯微鏡進行觀察，這些三維的圖靈結構形成了一張網狀結構，其中有很多空隙，減少了水透過的阻力，使得膜的分離性能比傳統製備方法製備的膜要優良的多。

圖 | 凈水膜濾過示意圖

製作出凈水膜之後，張林教授馬上組織了課題組內部的測試。他們首先測試了它的濾過性能，一次過濾後它能將標準鹽溶液中的鹽分去除一半，也能將其他的無機鹽高效率地去除：能去除90%的氯化鎂，99%的硫酸鎂和愛普生鹽。張林教授稱，一平方米的此種凈水膜一小時能處理125升以上的水，承受的壓力還是相對傳統工業低的5倍大氣壓。最終的結果是，圖靈凈水膜的凈水速度比傳統凈水膜要快3倍。

展望未來

儘管圖靈凈水膜引起了不小的轟動，但是它的性能還是受到了一些質疑。根據實驗數據顯示，圖靈凈水膜對於某些無機鹽的去除能力很好，但是對於鹽分的去除能力有限，科學家也對在傳統凈水工業中採用圖靈凈水膜持懷疑態度。張林教授對此表示，可以先將圖靈凈水膜用于海水凈化的預處理階段，去除鹽分還是可以採用傳統的反滲透膜。

來自德國弗里德里希-米切爾實驗室（Friedrich Miescher Laboratory）系統生物學家穆勒表示，這樣的技術如果能將製作過程標準化，圖靈結構也能用在再生醫學中，例如生產人工靜脈或骨頭。而一旦攻克了生產這些複雜的空間結構，下一步就是合成人造的器官。

其實，且不論這樣的圖靈凈水膜能否適用於傳統的凈水工業，這樣的凈水膜是對圖靈提出的「擴散-反應」理論的一種肯定，也是圖靈傳奇的一種延續。圖靈結構在大自然可以找到很多例子，但是在實驗室中，我們合成的圖靈結構還只停留在二維的層面，但是張林教授的圖靈凈水膜擁有的是三維的圖靈結構。這是圖靈結構走出實驗室的第一步，是圖靈結構走嚮應用的敲門磚。