浙大研发图灵结构 斑马的图案为什么那么好看？(3)

在长时间的不断试验后，科研人员发现聚乙烯醇作为抑制反应物扩散的亲水大分子的效果最好。

图灵结构聚酰胺膜生成的示意图。左边是在水相反应物体系中加入聚乙烯醇，降低反应物扩散系数的界面聚合反应过程;右边是不同聚乙烯醇添加量生成的具有点状和条状图灵结构的聚酰胺膜扫描电镜图。

“长”出图灵结构

有了聚乙烯醇对反应物扩散的“阻碍”作用，原本平整光滑的膜表面真的就“长”出了图灵结构。这些只有20-30纳米致密的、具有周期性规律的图灵结构，有的呈管状，有的呈泡状，在膜表面为膜提供了可以让更多水透过的位点，进而增强了膜的透水性能。

如果通过电子显微镜观察，这些图灵结构，仿佛是一个个半圆形的帐篷密密麻麻地覆在膜的表面。这些“撑开”的鼓鼓囊囊的“帐篷型结构”中间有很多空隙，减少了水透过的阻力，使得膜的分离性能比传统制备方法制备的膜提高了3至4倍。也就是说，透过膜的水比原先要多出3至4倍，大大降低了膜过程的产水成本，提高了分离效率。

“科学理论很简单，就是水能透过去的通道越多越好。”陈圣福教授说。

张林教授介绍，纳滤是当前最先进的水处理技术之一，降低处理成本将在工业水回用、饮用水安全保障和雨水资源化利用以及西部苦咸水处理等领域发挥积极作用。

上图是用金纳米颗粒验证图灵结构聚酰胺膜上水渗透位点空间分布的透射电镜图;下图是水传递通过图灵结构聚酰胺膜的示意图。

证图灵 不失灵

在实验上成功研制出具有图灵结构的新型膜后，还要从理论上加以论证。判断是否为图灵结构的标准是图案或结构呈现周期性变化，并且反应过程中两个反应物的扩散之差达到一个数量级以上。图案的周期性变化，科研团队可以通过观察和方程求解得到理论认证，但测量扩散极差一度成为整个验证的难点。

纳滤膜的界面聚合制备，往往只需要不到一分钟的时间就完成了，而加入亲水大分子后扩散速率的变化传统的测试方法几乎失灵。最终科研人员通过核磁共振进行表征，测定了加入亲水高分子后两个反应物扩散速率差，验证了实验确实成功制备了一种具有图灵结构的新型分离膜。

对于这项研究，三位论文评审专家都给出了很高的评价。其中一位评审专家认为，这是一种非常有趣的新型脱盐薄膜，“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”。