Старые формулы Алана Тьюринга перевернули технологию опреснения воды
Последние научные выкладки английского криптографа и компьютерного гения Алана Тьюринга стали основой для изобретения китайскими учеными из Чжэцзянского университета передовой технологии фильтрации соленой воды. К инновационному открытию подтолкнули размышления британца о природе необычной раскраски африканских зебр и гепардов.
Наша природа повсюду наполнена строгими, правильными рисунками и формами: лепестки подсолнечника растут по закрученной спирали, песчаная рябь пустынных дюн всегда имеет волны одинаковой ширины, а шкура животных с рождения покрыта ровными круглыми пятнышками. Необычные закономерности окружающего мира долго не давали покоя английскому математику Алану Тьюрингу, прославившегося взломом немецкой шифровальной машины Энигма, что привело к заметным успехам союзников на полях сражений. В последние годы своей жизни ученый упорно пытался решить загадку "химического кода", благодаря которому природа бессознательно способна создавать у биологических видов столь выверенные, аккуратные рисунки и формы. Тьюринг был уверен, что существует механизм, который заставляет переключаться клетки кожи в разные состояния, чтобы одни окрашивались в черный цвет, а соседние - в белый, как происходит у зебры, либо на шкурах других животных только в виде темных и светлых пятнышек. Компьютерный гений не был выдающимся биологом или химиком, но твердо решил, что природную раскраску можно объяснить математикой, и не ошибся, сделав значительный вклад в зарождающуюся в те года новую науку - математическую биологию.
Тьюринг размышлял так: чтобы воспроизвести полосы, пятна и другие естественные узоры, в одних клетках должна произойти химическая реакция, изменяющая цвет, а в других - нет. Он предположил, что если взять два разных химических вещества - одно из которых активирует химическую реакцию, а второе затормаживает - и пропустить через группу ячеек на разной скорости, то в результате взаимодействий ингибиторы и активаторы будут отталкиваться и формировать некий продукт или рисунок в виде точек, полосок и других природных паттернов.
Алан Тьюринг составил несколько уравнений, описывающих диффузию парных химических компонентов через массив клеток, приводящую к шести различным шаблонам. Но смелая научная мысль англичанина слишком сильно опережала его эпоху. Биологи того времени, в 1952 году, даже не представляли, что за раскраской животных и формированием лепестков стоит какой-либо механизм. Только спустя 40 лет догадки Тьюринга подтвердились, и биологи обнаружили сложные соединения малоновой кислоты, которая в точности по формулам английского ученого раскрашивает шкуры разных биологических видов. Чуть позже, через 10 лет, ученые с помощью тех же уравнений открыли, как образуются обращающиеся мицеллы: водяные молекулы в дисперсной фазе при нахождении в органическом растворителе, к примеру в масле. А совсем недавно китайские биохимики использовали механизм Тюринга для создания двух- и трехмерных структур, потенциал которых будет востребован во многих отраслях, а особенно для технологий очистки и опреснения воды.
До недавнего времени в лабораториях удавалось создать только двухмерные структуры, но группа китайских ученых впервые синтезировала трехмерный нанофильтр из полиамида. Чтобы получить нейлоноподобный пористый материал, смешали два компонента - пиперазин и тримезоилхлорид. Реакция между веществами с заниженной скоростью, благодаря участию поливинилового спирта, позволила компонентам создать сетчатую наноструктуру, напоминающую узор, предсказанный уравнениями Тьюринга. Ученые произвели разные варианты наноматериала: у одного под электронным микроскопом была видна поверхность, усеянная точками, а у другого она сформировалась в виде трехмерных трубочек.
Наноструктуры фильтра, полученные китайскими учеными по формулам Алана Тьюринга
На самом деле китайцы были довольны даже тем, что им удалось в лабораторных условиях создать самоорганизующиеся структуры Тьюринга, но еще большее удивление и радость они испытали после того, как обнаружили, что мембраны из нового материала действуют как отличные фильтры для воды, превосходя по эффективности все существующие аналоги.
Дело в том, что трубкообразная мембрана имеет большую площадь поверхности по сравнению с обычным фильтром, что позволяет пропускать гораздо больший поток воды в единицу времени. В настоящее время сложно найти компромисс между пропускной способностью и степенью очистки у современных фильтров. Либо они хорошо пропускают большой объем воды, но тогда не удастся отфильтровать все соли и минеральные элементы, либо придется пожертвовать чистотой и пресностью, и только в этом случае у фильтра повысится КПД. Новые, созданные по уравнениями Тьюринга фильтры-мембраны позволяют в три раза увеличить скорость очистки воды по сравнению с обычными фильтрами.
Ученые считают, что пока нашли лишь самое простое применение последним уравнениям Тьюринга. Таинственный механизм в будущем поможет объяснить множество удивительных природных феноменов: спиралевидный рост лепестков, рисунки на коже животных, взаимодействие электроимпульсов в нейронах и многое другое.