据中国数字科技馆2018年9月21日讯 中国的研究人员已经开发出了一种过滤膜，可以将盐从水中去除，过滤速度是传统滤膜的三倍，这种膜具有独特的管状纳米结构，灵感来源于密码破解者艾伦·图灵(Alan Turing)的数学生物学研究。艾伦·图灵是计算机科学家和密码破解者，但他也涉足数学生物学。

图为斯蒂芬·凯普(Stephen Kettle)创作的艾伦·图灵石板雕像（源自：Steve Meddle/REX/Shutterstock）

　　这种过滤膜是数学家构建出的最精细的“图灵结构”，也是该结构的第一个实际应用。德国图宾根（Tübingen）弗里德里希·米舍尔（Friedrich Miescher）实验室的系统生物学家帕特里克·穆勒（Patrick Müller）说：“这些3D结构非常特别。”他说，管状过滤器的直径只有几十分之一纳米，不可能通过3D打印之类的方法制造。这项研究发表在5月3日的《科学（Science）》杂志上。
　　英国数学家阿兰·图灵以他在二战期间为英国政府破译密码而闻名，他也是计算机科学和人工智能之父。1952年，在他去世前两年，他还在当时新兴的数学生物学领域做出了一项开创性的工作。
　　在那篇文章中，他提出了一个数学模型，描述了胚胎细胞开始分化为四肢、骨骼和器官的过程。在这个过程中，两种物质不断地相互反应，但以不同的速率在容器中扩散。扩散快速的反应物（被称为抑制剂）推动较慢的反应物（叫做激活剂），有效地将生成的产物转化成斑点或条纹图案。（这个术语是由生物学家Hans Meinhardt和Alfred Gierer提出的，他们在1972年独立提出了相同的理论。）
　　斑点模式
　　穆勒（Müller）说，这样一个过程是否真的发生在细胞层面上一直在激烈的争论中，但是这种反应的扩散行为也被用来解释自然界和社会的模式，包括斑马纹、沙波和金融市场的动荡。
　　然而到目前为止，在实验室中合成这种结构的尝试大多局限于2D模式。
　　由浙江大学的材料科学家张林（Lin Zhang）领导的一个研究小组，着手从聚酰胺（一种类似尼龙的材料）中制造出一种三维的图灵结构，这种材料是由化学品哌嗪和均苯三甲酰氯通过反应得到的。在常规的过程中，均苯三甲酰氯的扩散速度比哌嗪要快，但其差异还不足以产生图灵结构。张林的诀窍是在哌嗪中加入聚乙烯醇，进一步降低其扩散速率，并使其成为激活剂。
　　实验结果是形成一个粗糙的多孔网状结构，其纳米结构类似于图灵图案，可以在电子显微镜下看到。该团队能够制造出点状和管状的变体，这是图灵模型预测的两种自组织结构。

在扫描电子显微镜下观察到的点状和管状结构的图灵型薄膜（源自：Z. Tan et al./Science）

　　张林说，研究人员很高兴能制造出图灵结构，但是，他们惊讶于这种膜在某些方面超越了传统的尼龙过滤膜，能作为高效滤水器。
　　首尔汉阳大学（Hanyang University）的膜科学家Ho Bum Park说，与传统的过滤膜相比，管状结构给膜提供了更大的表面积，从而增加了通过薄膜的水流。他说：“这是对传统膜结构的改进，它类似于一系列的山脊和山谷，这是一种非常聪明的做法。”
　　在张林团队的测试中，淡盐水每次通过管状图灵过滤膜，其盐含量就减少一半，它还过滤掉了其他盐类，如过滤掉了超过90%的氯化镁，超过99%的硫酸镁或者说泻盐。作者说，1平方米的滤膜每小时可处理多达125升水，同时在大约5倍大气压力的相对低压下泵送。张说，这比典型的商业滤膜快了三倍，图灵滤膜可用于净化淡盐水和工业废水。
　　其他障碍
　　虽然这种膜能有效去除一些杂质，但帕克（Park）说，它的除盐效率相对较低，这可能会使海水淡化变得不切实际。张林说，可以让海水先经过海水淡化装置预处理，再用常规方法除去盐，比如反渗透。
　　穆勒说，如果这种技术可以推广，这种管状结构也可以在再生医学中应用，例如，生产人造血管或骨骼。他说：“一旦你知道如何制造这些管状结构，也许你就可以把这些结构排列成高阶结构，甚至制造出器官。现在，这将是梦想的应用。”
　　但穆勒也指出，由于不确定这种结构是否会形成，它们在其他材料中可能很难重现。
　　张林说：“即使事实证明是这样，这种膜也是对图灵1952年那篇论文的一种赞赏，这也是他遗产中的一部分。”