贝壳上精妙绝伦的图案形态。浙江大学 供图
1952年，现代计算机与人工智能之父艾伦·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。60多年后，浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授的实验室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。
生物学家们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，在体表出现的条状斑图；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；鱼鳍内骨骼中指头的数目，也是几个基因因图灵机制产生的结果。
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。既然这样，便可以依据图灵的理论来调控纳滤膜的制备过程。张林介绍，研究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，科学家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。
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。
张林课题组纳滤膜表面“制造”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。判断是否属于图灵反应—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。
“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。这是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。与传统制造工艺相比，这项膜制备技术不必对现有生产线做任何改造，就能生产出性能更优的净水膜，会有良好的应用前景。(周炜)
