一張神奇而美麗的膜 牽出了科學界赫赫有名的圖靈方程

　　上圖為：英國科學家艾倫·圖靈。

　　下圖為：貝殼的花紋，也是圖靈結構。

　　浙江在線5月4日訊（浙江在線記者 章咪佳）人類世界一直都很流行的經典豹紋圖案，到底是怎麼產生的？

　　為什麼豹紋的斑點，比長頸鹿小？

　　這些你從來沒想過的大自然冷科學，60多年前，有個科學家有了好奇心，然後破解了其中的奧秘。他就是英國科學家艾倫·圖靈，得出「圖靈方程」，預言了這些圖案的奧秘。

　　圖靈只活了42歲，但是他從沒懈怠光陰。他最為人所熟知的貢獻，是電影《模仿遊戲》中介紹的工作：他是計算機之父；他也曾在二戰期間，破譯德軍的密碼體系「英格瑪」，幫助盟軍扭轉了戰爭局勢。

　　而他鮮為人知的，是關於動物圖案的「圖靈結構」這項理論研究。

　　北京時間2018年5月4日，在英國出版的世界頂級科學期刊《科學》上，浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授課題組以「報導」的形式發表了一篇論文，他們在實驗室裡製備了一張新型淨水膜，膜的表面形貌，符合艾倫·圖靈在1952年提出的「圖靈結構」。

　　這項研究的意義，不僅是這種膜具有比普通納濾膜的濾水效率高3到4倍，更難得的是，這是世界上首次嘗試在薄膜上，製造納米尺度圖靈結構的報導，也是圖靈結構，首次實現於應用領域。

　　野獸一般的圖靈方程

　　「那我選斑點好了。」獵豹說道，「但是別做得太俗套太大。我不想看起來像只長頸鹿——永遠不要。」

　　對於《獵豹是怎麼長出斑點的》，在1902年出版的小說《如此故事》中，小說家拉迪亞德·吉卜林這樣替獵豹解釋，它們的皮囊為何是這樣大小和分布的斑點。

　　這個到今天人類世界都很流行的經典豹紋圖案，到底是怎麼產生的？

　　自然界還有很多異常規律的花紋。比如，斑馬的黑白條紋，條紋寬度、間隔距離都是非常精準的，它們不會因為「沒有墨水」而出現隨機的「列印圖案」。

　　1952年，在那個生物學振奮著世界的時代，圖靈在英格蘭西北部，開始收集各種各樣的花朵，藉此摸索大自然的模式。

　　然後他就得出「圖靈方程」，預言了這些圖案的奧秘。

　　後來的科學家這樣形容這個方程：「那些複雜的、野獸一般的方程式，看起來就不像是人類能單靠手和腦得出來的。」

　　所以，該介紹今天的主角——浙大博士生譚喆了。

　　永福寺的梅花鹿

　　譚喆是前面說到的張林教授課題組在《科學》上發表的那篇報導的第一作者，他學的專業是化學工程，具體來說，是研究一種水處理膜——納濾膜。看上去和圖靈完全沒關係。

　　這種納濾膜是採用一種叫界面聚合的方法製備得到：兩種小分子反應物——哌嗪和均苯三甲醯氯，溶解於水和油中，當互不相容的水油接觸後，兩種反應物在水油界面處靠近油側發生聚合反應，形成一層薄膜。這種方法不僅可以製備納濾膜也可以製備用於海水淡化的反滲透膜。

　　但這兩種膜的形貌卻有很大差異：反滲透膜表面有很多不規則的凸起，非常粗糙，而納濾膜卻很光滑。為什麼會有這樣的差異？這個問題一直困擾著張林團隊。

　　譚喆也一直希望通過改變膜表面粗糙度來提高納濾膜的通量，因此，對這個差異也很困惑。

　　有一天譚喆去永福寺散步，他遇到一隻也在寺院外山上散步的野生梅花鹿。

　　「我一下被它身上的斑點吸引。」 他想起了英國偉大的科學奇才圖靈的論文《形態發生的化學基礎》，在這篇論文中，他提及生命世界的形態與紋理。

　　一場奇幻的比賽

　　和很多科學理論一樣，圖靈的理論是優雅而簡潔的：任何重複的自然圖案，都是通過兩種具有特定特徵的組分（分子、細胞等），發生相互作用產生的。

　　通過一個被圖靈稱為「反應——擴散」的原理，這兩種組分（指混合物中的各個成分），將會自發地相互作用，組織成斑紋、條紋、環紋、螺旋或是斑駁的斑點。

　　張林教授解釋說：「很多化合物內部都符合這樣的系統，關鍵是兩種組分之間如何互動。當它們的擴散速率達到一定差異時，它們就能夠創造出神奇的圖案。界面聚合反應恰好就是圖靈所定義的『反應-擴散』過程。」

　　有了反應-擴散過程理論的指導，譚喆開始了調控界面聚合製備納濾膜過程中兩個反應物擴散係數差異的研究，以期在膜表面獲得圖靈結構。在界面聚合水相嘗試添加多種親水大分子後，終於尋找到了最佳的親水大分子——聚乙烯醇，原本光滑的納濾膜表面在電子顯微鏡下，顯示出縱橫交錯的20納米左右厚的「管道」或「圓泡」。經過測試，膜的透水性能翻了倍。

　　他們成功地製備出了具有圖靈結構的納濾膜。

　　打個比方：在浙大的這張納濾膜製備的反應中，原本有A（活化劑PZ），和B（抑制劑TMC）兩位選手，它們要進行一場擴散比賽。

　　兩者原本算是你追我趕， A比B的擴散速度略慢。

　　比賽期間，加進來一個助攻——C（聚乙烯醇PVA），它的作用是「抱住」原本就落後的A，讓它更慢一些。這樣A和B拉開了更大的差距。

　　經過這個阻礙過程，原本平整光滑的膜，「長」出了緻密、具有周期性的形貌——那就是圖靈結構。

　　在張林團隊製備的納濾膜上，一些只有20~30納米厚的「小帳篷」，有的呈管狀，有的呈泡狀。這些通道使得膜的透水性能，達到原來的3到4倍，大大降低了膜的濾水成本。

　　張林介紹，納濾是當前最先進的水處理技術之一，降低處理成本將在工業水回用、飲用水安全保障和雨水資源化利用等領域發揮積極作用。