Исследователи из Китая разработали фильтр, который удаляет соль из воды в три раза быстрее, чем обычные фильтры. Его мембрана обладает уникальной наноструктурой трубчатых нитей, вдохновленной математико-биологической работой Алана Тьюринга, – сообщает nature.com со ссылкой на Science.

Изобретенный фильтр – это наиболее качественно изготовленный пример «структур Тьюринга», и их первое практическое применение, – говорят исследователи.

«Эти трехмерные структуры довольно необычны», – рассказал Патрик Мюллер, системный биолог лаборатории Фридриха Мишера в Тюбингене (Германия). Он говорит, что трубчатые нити фильтра диаметром всего в десятки нанометров невозможно изготовить другими способами, такими как, например, трехмерная печать.

Британский математик Алан Тьюринг наиболее известен своими трудами в области криптографии для правительства Великобритании во время Второй мировой войны. Его считают также отцом компьютерной науки и искусственного интеллекта. Но немногие знают, что за два года до смерти в 1952 году он завершил работу в области зарождающейся тогда математической биологии. В исследовании он предложил математическую модель процесса, посредством которого клетки эмбриона могли бы начать формировать некие структуры – конечности, кости и органы. В этом процессе два вещества непрерывно реагируют друг с другом, но диффундируют через общий контейнер с очень разными скоростями. Быстро диффундирующий реагент, называемый ингибитором, отталкивается от более медленного, называемого активатором, и, эффективно чередуясь, они образуют продукт в узор пятен или полос. (Терминология была придумана биологами Хансом Мейнхардтом и Альфредом Гирером, которые в 1972 году самостоятельно сформулировали эквивалентную теорию).

По словам Патрика Мюллера, в среде ученых были жаркие споры, действительно ли этот процесс происходит на клеточном уровне. Тем не менее ситуация «реакция-диффузия» была использована для объяснения некоторых закономерностей в природе и обществе, включая полосы зебры, песчаную рябь и движения финансовых рынков. Попытки синтезировать такие структуры в лаборатории до сих пор ограничивались двумерными узорами.

Команда во главе с ученым-физиком Лин Чжан из Чжэцзянского университета в Ханчжоу (Китай) приступила к созданию трехмерной структуры Тьюринга из полиамида – материала, подобного нейлону, образованного реакцией между химическими веществами – пиперазином и тримезоилхлоридом. В обычном процессе тримезоилхлорид диффундирует быстрее, чем пиперазин, но разница не настолько велика, чтобы создать структуру Тьюринга. Трюк Чжан заключался в том, чтобы добавить в пиперазин поливиниловый спирт, еще более снизив скорость его диффузии и позволив ему действовать как активатор ингибитора тримезоилхлорида.

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

По словам Лин Чжана, исследователи были в восторге от того, что им удалось создать структуры Тьюринга. Но еще более они были удивлены, когда обнаружили, что мембраны действуют 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.

В тестах, выполненных группой Чжана, один проход воды через трубчатый фильтр Тьюринга уменьшал содержание столовой соли в легком солевом растворе наполовину. Он также отфильтровывал другие соли: хлорид магния более чем на 90%; и сульфат магния, или соль Эпсома, более чем на 99%. Авторы утверждают, что один квадратный метр фильтра может обрабатывать до 125 литров воды в час при давлении, примерно в 5 раз меньшем атмосферного. Это в три раза превышает скорость обычных коммерческих фильтров. Фильтр Тьюринга можно использовать для очистки солоноватой воды и промышленных сточных вод.

Несмотря на все преимущества таких мембран, они не эффективны для удаления столовой соли и, соответственно, для опреснения морской воды. Фильтр Тьюринга можно использовать только для предварительной обработки морской воды в опреснительных установках, при этом столовую соль удаляют традиционными способами, такими как обратный осмос.

Патрик Мюллер считает, что этот метод может быть применен шире, например, в регенеративной медицине – при производстве искусственных вен или костей. «Если вы знаете, как сделать трубочки, то, возможно, вы сумеете организовать их в структуры более высокого порядка – например, в органы», – объяснил он. Однако сделать это будет трудно из-за того, что пока сложно предсказать формирование таких структур.