人民网5月17日电 斑马的黑白条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋卷曲……大自然中这些规则重复的图案是怎么形成的 ， 一直是个令人好奇的问题 。 早在60多年前 ， 英国科学家图灵就预测：某些重复的自然斑图可能是由两种特定物质（分子、细胞等）相互反应或作用产生的 。 通过一个被他称为“反应-扩散”的过程 ， 这两种组分将会自发地自组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点等结构 。 后来的科学家证实了这个猜想 ， 并将这类结构称为“图灵结构” 。
最近 ， 长期从事膜科学研究的浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授团队把图灵结构与膜研究结合起来 ， 第一次在薄膜上制造出了纳米尺度的图灵结构 。 这项首次面向应用领域构建图灵结构的研究成果 ， 于北京时间5月4日发表在国际顶级期刊《科学》上 。
图灵结构产生的示意图 。 左边是指在反应-扩散过程中两个反应物——活化剂和抑制剂的相互作用；右边是该过程中产生的两种典型图灵结构 。
减慢反应物的扩散“步伐”
界面聚合制备超薄分离膜技术从上个世纪80年代问世沿用至今 ， 已经相当成熟 ， 但同是界面聚合制备的纳滤膜和反渗透膜虽然制备工艺和反应机理完全一致 ， 但两者的表面结构却差异很大：纳滤膜表面光滑 ， 而反渗透膜表面呈峰谷结构 ， 较为粗糙 。
为什么会有如此明显的差别？至今没有明确的定论 ， 也未有深究这个问题 。
张林团队决定对这个被“忽视”的问题进行深入研究 。 在深究差异原因时 ， 他们发现界面聚合过程属于典型的“反应-扩散”体系 。 这个令人兴奋的发现 ， 让他们很快联想到了图灵结构的形成条件 。 “我们在分析差异原因的过程中就在想 ， 有没有可能把纳滤膜做成图灵结构？”
图灵结构是指 ， 在开放的远离平衡的反应扩散系统中 ， 因扩散作用引发系统失稳形成的一种化学物质浓度按照空间周期性变化的静态浓度图案 ， 也被称为“图灵斑图” 。
图灵结构产生的必要条件 ， 就是两个反应物的扩散系数之差要达到一个数量级以上 。 研究团队想要寻找到一种方法改变反应物的扩散系数差异 ， 使其能满足这个条件 。 “现在两个反应物的扩散已经一快一慢 ， 但尚未达到产生图灵结构的要求 ， 这就要让扩散系数小的变得更小 ， 拉大两者的差距 。 ”
经过仔细分析和讨论 ， 研究团队提出在扩散系数小的反应物水溶液中加入阻碍反应物扩散的亲水大分子 ， 这项工作就好比是拉住其中扩散慢的反应物的“大腿” ， 让它跑得更慢一点 。 在大量的实验中 ， 科研人员尝试添加各种亲水大分子 ， 使溶于水的反应物向油中扩散的速率降下来 ， 并在水与油的接触面上 ， 与油中的反应物发生反应形成具有周期性变化的图灵结构的新型纳滤膜 。
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 。
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