Фильтр для воды от Алана Тьюринга прошел первый тест

Алан Тьюринг, изображенный на скульптуре Стивена Кеттла, известен как ученый-компьютерщик и взломщик кодов, но также совершил набеги на математическую биологию. Кредит: Стив Меддл / REX / Shutterstock

Исследователи из Китая разработали фильтр, который удаляет соль из воды в три раза быстрее, чем обычные фильтры. Мембрана имеет уникальную наноструктуру трубчатых прядей, вдохновленную математически-биологической работой взломщика кодов Алана Тьюринга.

По словам исследователей, этот фильтр является наиболее точным примером «структур Тьюринга» математика и их первым практическим применением. «Эти трехмерные структуры довольно необычны», - говорит Патрик Мюллер, системный биолог из лаборатории Фридриха Мишера в Тюбингене, Германия. По его словам, трубчатые пряди фильтра диаметром всего в несколько десятков нанометров было бы невозможно получить другими методами, такими как 3D-печать. Работа опубликована 3 мая в журнале Science 1 ,

Британский математик Алан Тьюринг наиболее известен своими деяниями взлома кода для правительства Великобритании во время Второй мировой войны, а также как отец компьютерных наук и искусственного интеллекта. Но он также произвел оригинальную работу 2 в тогдашней области математической биологии в 1952 году, всего за два года до его смерти.

В нем он предложил математическая модель для процесса, с помощью которого клетки зародыша могут начать формировать структуры - конечности, кости и органы. В этом процессе два вещества непрерывно реагируют друг с другом, но диффундируют через их контейнер с очень разными скоростями. Быстрее распространяющийся реагент - называемый ингибитором - отталкивает против более медленного, называемого активатором, эффективно превращая полученный продукт в структуру пятен или полос. (Терминология была придумана биологами Хансом Майнхардтом и Альфредом Герером, которые независимо друг от друга сформулировали эквивалентную теорию в 1972 году.)

Пятнистые узоры

Мюллер говорит, что этот процесс действительно происходит на клеточном уровне. Но это поведение реакции-диффузии было призвано объяснить закономерности в природе и обществе, в том числе полоски зебры, рябь песка и движения финансовых рынков.

Однако до сих пор попытки синтезировать такие структуры в лаборатории в основном ограничивались двумерными структурами.

Команда под руководством ученого-материала Лин Чжана из университета Чжэцзян в Ханчжоу, Китай, намеревалась создать трехмерную структуру Тьюринга из полиамида, материала, похожего на нейлон, образованного реакцией между химическими веществами пиперазином и тримезоилхлоридом. В обычном процессе тримезоилхлорид диффундирует быстрее, чем пиперазин, но разница не настолько велика, чтобы получить структуру Тьюринга. Уловка Чжана состояла в том, чтобы добавить поливиниловый спирт к пиперазину, еще больше понизив скорость его диффузии и позволяя ему действовать в качестве активатора ингибитора тримезоилхлорида.

В результате получается грубая пористая сетка с наноструктурой, напоминающая рисунок Тьюринга, который можно увидеть под электронным микроскопом. Команда смогла создать варианты, показывающие как точки, так и трубки - два типа самоорганизующейся структуры, предсказанные моделью Тьюринга.

Мембраны Тьюринга на основе точек и трубок, видимые под сканирующим электронным микроскопом. Предоставлено: Z. Tan et al. / Science

Исследователи были в восторге от создания структур Тьюринга, говорит Чжан. Но они были более удивлены, когда обнаружили, что их мембраны функционируют как эффективные фильтры для воды - в некоторых отношениях превосходят обычные нейлоноподобные фильтры.

Трубчатая структура фильтра дает ему большую площадь поверхности по сравнению с обычными фильтрами, что увеличивает поток воды через мембрану, говорит Хо Бум Парк, ученый-мембранист из Университета Ханьянг в Сеуле. По его словам, это улучшение традиционных мембранных структур, которые напоминают ряд гребней и впадин. «Это действительно умный подход».

В испытаниях, проведенных группой Чжана, один проход через трубчатый фильтр Тьюринга снизил содержание столовой соли в слегка солевом растворе вдвое. Он также отфильтровал другие соли: хлорид магния более чем на 90%; и сульфат магния или соль Эпсома более чем на 99%. Авторы говорят, что 1 квадратный метр фильтра может обрабатывать до 125 литров воды в час при перекачивании при относительно низком давлении, примерно в 5 раз превышающем атмосферное. По словам Чжана, это в три раза быстрее обычных коммерческих фильтров. По словам Чжана, фильтр Тьюринга можно использовать для очистки солоноватой воды и промышленных сточных вод.

Другие барьеры

Хотя мембрана эффективна в удалении некоторых примесей, Пак говорит, что ее относительно низкая эффективность удаления поваренной соли может сделать ее непрактичной для опреснения морской воды. По словам Чжана, его можно использовать для предварительной обработки морской воды на опреснительных установках, удаляя поваренную соль обычными методами, такими как обратный осмос.

Мюллер говорит, что, если метод можно обобщить, такие трубчатые структуры также могут найти применение в регенеративной медицине, например, при производстве искусственных вен или костей. «И как только вы научитесь делать трубочки, возможно, вы сможете организовать эти вещи в структуры более высокого порядка - возможно, даже органы», - говорит он. «Теперь это будет приложение мечты».

Но Мюллер также отмечает, что из-за неопределенности в прогнозировании, будут ли образовываться такие структуры, их может быть трудно воспроизвести в других материалах.

Даже если это подтвердится, мембрана - это дань влиянию работы Тьюринга 1952 года, говорит Чжан. «Это часть его наследия».

Подпишитесь на ежедневную новостную рассылку Nature Briefing

Будьте в курсе того, что имеет значение в науке и почему, отобранных из Природы и других публикаций по всему миру.

Подписаться

Похожие

Комментарии