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超级净水膜诞生!薄膜上首次制造图灵结构
时间:2018-05-04 10:20:54来源:科技日报
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提要: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。
超级净水膜诞生!薄膜上首次制造图灵结构

自然界处处可见纷繁复杂、精妙绝伦的图案与形态:动物的斑纹还有植物的轮状叶序,它们传递着自然之美,也激发着科学家的好奇心。

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。

突如其来的科学灵感

纳滤膜是广泛用于深度水处理、硬水软化、苦咸水处理等领域的重要材料,它能去除水中特定的有机物、色素与盐。

制造纳滤膜主要通过界面聚合反应实现:哌嗪和均苯三甲酰氯两种小分子分别溶解于水和油中,互不相容的水油接触后,两种小分子在水油界面处发生聚合反应,可能短短的几秒钟内,一层平整致密、100纳米左右厚的高分子薄膜就形成了。

长期从事膜分离技术研究的张林表示,这种方法不仅可用于制造纳滤膜,也被广泛用于制造反渗透膜。但是,这两种膜的表面微观形貌有极大区别:纳滤膜光滑平整,而反渗透膜则粗糙不平。

为什么会有这样的不同,之前一直没有科学家能够很好地解释原因。

灵感总是在不经意间来到。有一天,该论文第一作者谭喆去永福寺散步,路上偶遇了一只梅花鹿。散布在梅花鹿身上圆圆的斑点让他灵光一现:他想起了英国伟大的科学奇才图灵,想到了他提出的生命世界的形态与纹理。

图灵1952年发表的一篇生物化学论文——《形态发生的化学基础》,并建立了著名的“反应—扩散方程”。他认为生命体中存在一类“形态成形素”,一种促进反应的发生,另一种抑制反应的进行,相遇后一边反应一边扩散。在均匀的情况下,这个系统会呈现出均相体系特征,不会产生图案,但两者扩散存在差异,达到一定程度时,会导致系统失稳,最终形成周期性的复杂图案。

课题组经过讨论,提出制备纳滤膜的界面聚合反应正是一种典型的“反应—扩散”反应。

“变脸”的纳滤膜

研究组陆续尝试在水中添加不同类型的亲水大分子:淀粉、聚吡咯烷酮、聚乙二醇等,当试到聚乙烯醇时,光滑的纳滤膜“变脸”了。

科学家发现薄膜表面分布着纵横交错的20纳米左右厚的“管道”或“圆泡”,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。

电子显微镜下,这些结构如同一个个半圆形的“帐篷”密密麻麻地覆在膜的表面。

“帐篷”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。

张林介绍,纳滤是当前最先进的水处理技术之一,可降低处理成本,将在工业水回用、饮用水安全保障、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。

张林课题组纳滤膜表面“制造”复杂纹理,确实属于图灵结构吗?

经过核磁共振实验,科学家发现哌嗪和均苯三甲酰氯的扩散速率差异不足以产生图灵结构,而加入聚乙烯醇后,哌嗪的扩散速率明显下降。在界面聚合过程中,哌嗪与均苯三甲酰氯“舞”出了不一样的路线,最终形成了一张具有纳米级图灵结构的纳滤膜。

“通过调节聚乙烯醇不同的浓度,我们得到了管状、泡状等不同的图灵结构。”张林说,这项研究是第一次将图灵结构拓展到应用领域,用来指导净水膜的制备。

“我们发现了图灵结构纳滤膜的形成机理,下一步将开发性能更为优异的净水膜。”张林说。与传统制造工艺相比,这项膜制备技术不必对现有生产线做任何改造,就能生产出性能更优的净水膜,有良好的应用前景。

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