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文章来源:中国科学院    发布时间:2018年06月23日 19:30  【字号:      】

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超級凈水膜誕生!薄膜上首次制造圖靈結構 #標題分割#

自然界處處可見紛繁復雜、精妙絕倫的圖案與形態:動物的斑紋還有植物的輪狀葉序,它們傳遞著自然之美,也激發著科學家的好奇心。

長期從事膜科學研究的浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授團隊把圖靈結構與膜研究結合起來,第一次在薄膜上制造出了納米尺度的圖靈結構。這項首次面向應用領域構建圖靈結構的研究成果,于北京時間5月4日發表在國際頂級期刊《科學》上。突如其來的科學靈感納濾膜是廣泛用于深度水處理、硬水軟化、苦鹹水處理等領域的重要材料,它能去除水中特定的有機物、色素與鹽。

制造納濾膜主要通過界面聚合反應實現:和均苯三甲氯兩種小分子分別溶解于水和油中,互不相容的水油接觸後,兩種小分子在水油界面處發生聚合反應,可能短短的幾秒鐘內,一層平整致密、100納米左右厚的高分子薄膜就形成了。

長期從事膜分離技術研究的張林表示,這種方法不僅可用于制造納濾膜,也被廣泛用于制造反滲透膜。

但是,這兩種膜的表面微觀形貌有極大區別:納濾膜光滑平整,而反滲透膜則粗糙不平。

為什麼會有這樣的不同,之前一直沒有科學家能夠很好地解釋原因。靈感總是在不經意間來到。有一天,該論文第一作者譚去永福寺散步,路上偶遇了一只梅花鹿。

散布在梅花鹿身上圓圓的斑點讓他靈光一現:他想起了英國偉大的科學奇才圖靈,想到了他提出的生命世界的形態與紋理。

圖靈1952年發表的一篇生物化學論文——《形態發生的化學基礎》,並建立了著名的“反應—擴散方程”。

他認為生命體中存在一類“形態成形素”,一種促進反應的發生,另一種抑制反應的進行,相遇後一邊反應一邊擴散。

在均勻的情況下,這個係統會呈現出均相體係特徵,不會産生圖案,但兩者擴散存在差異,達到一定程度時,會導致係統失穩,最終形成周期性的復雜圖案。

課題組經過討論,提出制備納濾膜的界面聚合反應正是一種典型的“反應—擴散”反應。

“變臉”的納濾膜研究組陸續嘗試在水中添加不同類型的親水大分子:淀粉、聚咯烷酮、聚乙二醇等,當試到聚乙烯醇時,光滑的納濾膜“變臉”了。

科學家發現薄膜表面分布著縱橫交錯的20納米左右厚的“管道”或“圓泡”,在膜表面為膜提供了可以讓更多水透過的位點,進而增強了膜的透水性能。

電子顯微鏡下,這些結構如同一個個半圓形的“帳篷”密密麻麻地覆在膜的表面。

“帳篷”中間有很多空隙,減少了水透過的阻力,使得膜的分離性能比傳統制備方法制備的膜提高了3至4倍。

也就是説,透過膜的水比原先要多出3至4倍。

張林介紹,納濾是當前最先進的水處理技術之一,可降低處理成本,將在工業水回用、飲用水安全保障、雨水資源化利用以及西部苦鹹水處理等領域發揮積極作用。

張林課題組納濾膜表面“制造”復雜紋理,確實屬于圖靈結構嗎?經過核磁共振實驗,科學家發現和均苯三甲氯的擴散速率差異不足以産生圖靈結構,而加入聚乙烯醇後,的擴散速率明顯下降。

在界面聚合過程中,與均苯三甲氯“舞”出了不一樣的路線,最終形成了一張具有納米級圖靈結構的納濾膜。

“通過調節聚乙烯醇不同的濃度,我們得到了管狀、泡狀等不同的圖靈結構。

”張林説,這項研究是第一次將圖靈結構拓展到應用領域,用來指導凈水膜的制備。

“我們發現了圖靈結構納濾膜的形成機理,下一步將開發性能更為優異的凈水膜。

”張林説。

與傳統制造工藝相比,這項膜制備技術不必對現有生産線做任何改造,就能生産出性能更優的凈水膜,有良好的應用前景。

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(责任编辑:关妙柏)

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