艾倫‧圖靈的「跨界」發現,成為如今淨化水的關鍵

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 09 日 8:45 | 分類 環境科學 follow us in feedly

身為電腦專家,艾倫‧圖靈(Alan Turing)對密碼破譯和人工智慧領域的貢獻毋庸置疑。但誰也沒想到,他在職業生涯晚期對生物學方面的「跨界」研究,會對如今的淨水技術產生革命性的影響。



最近,浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌發表了一項最新研究成果。他們發現,透過運用「圖靈結構」製造的納濾淨水膜,可快速將海水的鹽分和水分離,速率是以往數倍。

這個「圖靈結構」,源於圖靈在職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。

剛完成「圖靈測試」的他,開始對生物學領域產生巨大的興趣。他發現,自然界多種多樣的圖案及形態──動物的紋理、植物的形狀等,都有誕生和形成的奧祕,這也許可透過數學模型來「解密」。

著名的費氏數列(簡單來說,就是從 0 和 1 開始,之後的係數都等於前兩者之和)就在生物學界有廣泛應用。植物的花瓣數、葉片枝幹的排列、昆蟲的繁殖規律等,似乎都以某種黃金比例存在,展現出規律的數學之美。

▲ 費氏數列的「黃金螺旋」。(Source:Imgur

受到費氏數列的啟發,圖靈也開始透過建立數學模型進一步研究生物形態變化。

他的理論框架中,引發形態變化有兩種不同的反應物(細胞):其中一種稱為「觸發因子」(Activator),可促進反應發生;另一種稱為「抑制因子」,跟字面意思一樣會對反應產生抑制作用。

當這兩種反應物相遇,會出現兩種現象

  • 反應後均勻擴散,整個系統平衡,不會產生圖案。
  • 反應後擴散不均衡,系統開始形成具週期性特徵的複雜圖案。

這個理論圖靈稱為「反應─擴散方程式」,記錄在他 1952 年發表名為《形態發生的化學基礎》的論文。而這種「反應─擴散」機制下形成的具規律性的生物圖形,也稱為「圖靈結構」。

(Source:Science

乍一看,這個理論與海水淡化技術沒什麼直接關聯,不過浙江大學團隊一次偶然的突發奇想,決定測試一下這種模型在製作納濾淨水膜時的應用效果。

他們先試驗了哌嗪(Piperazine)和三甲酰氯(Trimesoyl)這兩種反應物,但兩者的反應擴散效果差異不大,無法形成「圖靈結構」。

後來,他們又在哌嗪加入聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)。這次,哌嗪的反應擴散速度放緩,與三甲酰氯拉開差距,成功觸發「反應─擴散方程式」,在基底形成具三維「圖靈結構」的濾水膜。

(Source:Science

在濾水膜表面,「圖靈結構」的圖案能隨著反應物的不同比例產生變化;最關鍵的是,因為增加更多可透水的圖形,這種帶有「圖靈結構」的濾水膜的濾水效率更高。

實驗的結果顯示,1 平方公尺的新濾水膜可在 1 小時內處理 125 升以上的水,這意味效率要比傳統濾水膜快 3 倍。

這是自發現「圖靈結構」後,第一次應用於實際生活。研究團隊還指出,如果有效利用,未來在海水淡化、工業用水回收等方面,都可能出現很大的突破。

所以誰說「跨界」就是不務正業呢,要不是有差點搶了生物學家飯碗的圖靈,中國科學家今天也不會這麼容易就突發靈感了。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:pixabay