据浙江在线2018年5月4日讯 人类世界一直都很流行的经典豹纹图案，到底是怎么产生的？为什么豹纹的斑点，比长颈鹿小？
　　这些你从来没想过的大自然冷科学，60多年前，有个科学家有了好奇心，然后破解了其中的奥秘。他就是英国科学家艾伦·图灵，得出“图灵方程”，预言了这些图案的奥秘。

英国科学家艾伦·图灵

　　图灵只活了42岁，但是他从没懈怠光阴。他最为人所熟知的贡献，是电影《模仿游戏》中介绍的工作：他是计算机之父；他也曾在二战期间，破译德军的密码体系“英格玛”，帮助盟军扭转了战争局势。
　　而他鲜为人知的，是关于动物图案的“图灵结构”这项理论研究。
　　北京时间2018年5月4日，在英国出版的世界顶级科学期刊《科学》上，浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授课题组以“报道”的形式发表了一篇论文，他们在实验室里制备了一张新型净水膜，膜的表面形貌，符合艾伦·图灵在1952年提出的“图灵结构”。
　　这项研究的意义，不仅是这种膜具有比普通纳滤膜的滤水效率高3到4倍，更难得的是，这是世界上首次尝试在薄膜上，制造纳米尺度图灵结构的报道，也是图灵结构，首次实现于应用领域。
　　野兽一般的图灵方程
　　“那我选斑点好了。”猎豹说道，“但是别做得太俗套太大。我不想看起来像只长颈鹿——永远不要。”
　　对于《猎豹是怎么长出斑点的》，在1902年出版的小说《如此故事》中，小说家拉迪亚德·吉卜林这样替猎豹解释，它们的皮囊为何是这样大小和分布的斑点。
　　这个到今天人类世界都很流行的经典豹纹图案，到底是怎么产生的？
　　自然界还有很多异常规律的花纹。比如，斑马的黑白条纹，条纹宽度、间隔距离都是非常精准的，它们不会因为“没有墨水”而出现随机的“打印图案”。

贝壳的花纹，也是图灵结构（图片来源：Bishougai-HP/Science）

　　1952年，在那个生物学振奋着世界的时代，图灵在英格兰西北部，开始收集各种各样的花朵，借此摸索大自然的模式。
　　然后他就得出“图灵方程”，预言了这些图案的奥秘。
　　后来的科学家这样形容这个方程：“那些复杂的、野兽一般的方程式，看起来就不像是人类能单靠手和脑得出来的。”
　　所以，该介绍今天的主角——浙大博士生谭喆了。
　　永福寺的梅花鹿
　　谭喆是前面说到的张林教授课题组在《科学》上发表的那篇报道的第一作者，他学的专业是化学工程，具体来说，是研究一种水处理膜——纳滤膜。看上去和图灵完全没关系。
　　这种纳滤膜是采用一种叫界面聚合的方法制备得到：两种小分子反应物——哌嗪和均苯三甲酰氯，溶解于水和油中，当互不相容的水油接触后，两种反应物在水油界面处靠近油侧发生聚合反应，形成一层薄膜。这种方法不仅可以制备纳滤膜也可以制备用于海水淡化的反渗透膜。
　　但这两种膜的形貌却有很大差异：反渗透膜表面有很多不规则的凸起，非常粗糙，而纳滤膜却很光滑。为什么会有这样的差异？这个问题一直困扰着张林团队。
　　谭喆也一直希望通过改变膜表面粗糙度来提高纳滤膜的通量，因此，对这个差异也很困惑。
　　有一天谭喆去永福寺散步，他遇到一只也在寺院外山上散步的野生梅花鹿。
　　“我一下被它身上的斑点吸引。” 他想起了英国伟大的科学奇才图灵的论文《形态发生的化学基础》，在这篇论文中，他提及生命世界的形态与纹理。
　　一场奇幻的比赛
　　和很多科学理论一样，图灵的理论是优雅而简洁的：任何重复的自然图案，都是通过两种具有特定特征的组分（分子、细胞等），发生相互作用产生的。
　　通过一个被图灵称为“反应－扩散”的原理，这两种组分（指混合物中的各个成分），将会自发地相互作用，组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点。

　　张林教授解释说：“很多化合物内部都符合这样的系统，关键是两种组分之间如何互动。当它们的扩散速率达到一定差异时，它们就能够创造出神奇的图案。界面聚合反应恰好就是图灵所定义的‘反应-扩散’过程。”
　　有了反应-扩散过程理论的指导，谭喆开始了调控界面聚合制备纳滤膜过程中两个反应物扩散系数差异的研究，以期在膜表面获得图灵结构。在界面聚合水相尝试添加多种亲水大分子后，终于寻找到了最佳的亲水大分子——聚乙烯醇，原本光滑的纳滤膜表面在电子显微镜下，显示出纵横交错的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。
　　他们成功地制备出了具有图灵结构的纳滤膜。

　　打个比方：在浙大的这张纳滤膜制备的反应中，原本有A（活化剂PZ），和B（抑制剂TMC）两位选手，它们要进行一场扩散比赛。
　　两者原本算是你追我赶， A比B的扩散速度略慢。
　　比赛期间，加进来一个助攻——C（聚乙烯醇PVA），它的作用是“抱住”原本就落后的A，让它更慢一些。这样A和B拉开了更大的差距。
　　经过这个阻碍过程，原本平整光滑的膜，“长”出了致密、具有周期性的形貌——那就是图灵结构。
　　在张林团队制备的纳滤膜上，一些只有20～30纳米厚的“小帐篷”，有的呈管状，有的呈泡状。这些通道使得膜的透水性能，达到原来的3到4倍，大大降低了膜的滤水成本。

　　张林介绍，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等领域发挥积极作用。
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　　浙大科学家成功研发具有图灵结构的新型分离膜
　　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。
　　浙江大学化学工程与生物工程学院2014级博士生谭喆为本文的第一作者，张林教授为本文的通讯作者。化学工程与生物工程学院陈圣福教授、化学工程与生物工程学院兼职教授高从堦院士和浙江大学材料科学与工程学院彭新生教授合作参与了课题研究。
　　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。”

课题组部分成员（左起依次为张林、谭喆、陈圣福、彭新生）

　　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。

　　“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。

　　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”。

　　本研究特别致谢浙江大学电子显微中心（生命科学分部）、化学工程联合国家重点实验室测试平台和化学系分析测试平台提供的技术支持；物理系赵学安教授对反应-扩散方程的讨论。本研究得到了国家自然科学基金和国家基础研究计划的支持。（浙江大学　柯溢能 吴雅兰 卢绍庆）