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超級(jí)凈水膜誕生！薄膜上首次制造圖靈結(jié)構(gòu)
自然界處處可見(jiàn)紛繁復(fù)雜、精妙絕倫的圖案與形態(tài)：動(dòng)物的斑紋還有植物的輪狀葉序，它們傳遞著自然之美，也激發(fā)著科學(xué)家的好奇心。
長(zhǎng)期從事膜科學(xué)研究的浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院張林教授團(tuán)隊(duì)把圖靈結(jié)構(gòu)與膜研究結(jié)合起來(lái)，第一次在薄膜上制造出了納米尺度的圖靈結(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)首次面向應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)建圖靈結(jié)構(gòu)的研究成果，于北京時(shí)間5月4日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。
突如其來(lái)的科學(xué)靈感
納濾膜是廣泛用于深度水處理、硬水軟化、苦咸水處理等領(lǐng)域的重要材料，它能去除水中特定的有機(jī)物、色素與鹽。
制造納濾膜主要通過(guò)界面聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)：哌嗪和均苯三甲酰氯兩種小分子分別溶解于水和油中，互不相容的水油接觸后，兩種小分子在水油界面處發(fā)生聚合反應(yīng)，可能短短的幾秒鐘內(nèi)，一層平整致密、100納米左右厚的高分子薄膜就形成了。
長(zhǎng)期從事膜分離技術(shù)研究的張林表示，這種方法不僅可用于制造納濾膜，也被廣泛用于制造反滲透膜。但是，這兩種膜的表面微觀形貌有極大區(qū)別：納濾膜光滑平整，而反滲透膜則粗糙不平。
為什么會(huì)有這樣的不同，之前一直沒(méi)有科學(xué)家能夠很好地解釋原因。
靈感總是在不經(jīng)意間來(lái)到。有一天，該論文第一作者譚喆去永福寺散步，路上偶遇了一只梅花鹿。散布在梅花鹿身上圓圓的斑點(diǎn)讓他靈光一現(xiàn)：他想起了英國(guó)偉大的科學(xué)奇才圖靈，想到了他提出的生命世界的形態(tài)與紋理。
圖靈1952年發(fā)表的一篇生物化學(xué)論文——《形態(tài)發(fā)生的化學(xué)基礎(chǔ)》，并建立了著名的“反應(yīng)—擴(kuò)散方程”。他認(rèn)為生命體中存在一類“形態(tài)成形素”，一種促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生，另一種抑制反應(yīng)的進(jìn)行，相遇后一邊反應(yīng)一邊擴(kuò)散。在均勻的情況下，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)出均相體系特征，不會(huì)產(chǎn)生圖案，但兩者擴(kuò)散存在差異，達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，最終形成周期性的復(fù)雜圖案。
課題組經(jīng)過(guò)討論，提出制備納濾膜的界面聚合反應(yīng)正是一種典型的“反應(yīng)—擴(kuò)散”反應(yīng)。
“變臉”的納濾膜
研究組陸續(xù)嘗試在水中添加不同類型的親水大分子：淀粉、聚吡咯烷酮、聚乙二醇等，當(dāng)試到聚乙烯醇時(shí)，光滑的納濾膜“變臉”了。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)薄膜表面分布著縱橫交錯(cuò)的20納米左右厚的“管道”或“圓泡”，在膜表面為膜提供了可以讓更多水透過(guò)的位點(diǎn)，進(jìn)而增強(qiáng)了膜的透水性能。
電子顯微鏡下，這些結(jié)構(gòu)如同一個(gè)個(gè)半圓形的“帳篷”密密麻麻地覆在膜的表面。
“帳篷”中間有很多空隙，減少了水透過(guò)的阻力，使得膜的分離性能比傳統(tǒng)制備方法制備的膜提高了3至4倍。也就是說(shuō)，透過(guò)膜的水比原先要多出3至4倍。
張林介紹，納濾是當(dāng)前最先進(jìn)的水處理技術(shù)之一，可降低處理成本，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(lǐng)域發(fā)揮積極作用。
張林課題組納濾膜表面“制造”復(fù)雜紋理，確實(shí)屬于圖靈結(jié)構(gòu)嗎？
經(jīng)過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)哌嗪和均苯三甲酰氯的擴(kuò)散速率差異不足以產(chǎn)生圖靈結(jié)構(gòu)，而加入聚乙烯醇后，哌嗪的擴(kuò)散速率明顯下降。在界面聚合過(guò)程中，哌嗪與均苯三甲酰氯“舞”出了不一樣的路線，最終形成了一張具有納米級(jí)圖靈結(jié)構(gòu)的納濾膜。
