Алън Тюринг е известен като бащата на компютърната наука и изкуствения интелект, както и като гениален "разбивач на кодове", за което му е благодарна цяла Великобритания по време на Втората световна война.
Но освен това Тюринг е бил силно увлечен от една неясна по онова научна област - математическата биология. През 1952 г., само две години преди смъртта си, блестящият британски учен публикува статия, в която предлага математически модел, който описва как ембрионалните клетки се превръщат в сложни структури като органи или кости.
Сега китайски изследователи са изградили уникална наноструктура от тръбни нишки, вдъхновени от работата на Тюринг по математическа биология. Учените включват структурата във филтър, който премахва солта от водата три пъти по-бързо, отколкото някои конвенционални филтри.
Базирани на точкови (вляво) и тръбни мембрани тип Тюринг (изобразени с електронен микроскоп). Кредит: Z. Tan et al. / Sci
Структурите на Тюринг възникват, когато дисбалансите в скоростите на дифузия образуват стабилна стационарна система, чувствителна към малки хетерогенни смущения. Например, схемите на Тюринг се появяват в химическите реакции, когато бързо движещ се инхибитор контролира движението на по-бавно движещ се активатор. Движението кара инхибиторът да изтласка активатора, като причинява появата на петна или ивици върху продукта. Не е ясно дали този процес на дифузия на реакции действително се осъществява на клетъчно ниво, но преди това учените го използват, за да обяснят ивиците на зебрата, пясъчните вълни и движенията на финансовите пазари.
 |
Анимацията показва десет генерации за масив 80/80, започваща в началото с произволно разпределение. От кадър в кадър се променя само w (параметър, означаващ концентрацията на инхибитора). Имайте предвид, че при малка концентрация на инхибитора, повечето клетки стават различаващи се (черни), а когато концентрацията на инхибитора расте, окраската се развива от ивици в черни точки на бял (неразличаващ се) фон. |
|
В показаната анимация полученото изображение не прилича на вертикалните ивици на зебрата и тигъра, но то може да стане чрез модификация на модела - ако областта вече не е кръгла, а елипсовидна, а областта на активизатора - по-малка елипса с дълга ос, перпендикулярна на дългата ос на голямата елипса. |
|
Опитите за синтезиране на такива структури досега бяха ограничени до 2D модели. Сега, благодарение на чудесата на 3D печата, екип изследователи от Университета Zhejiang в Хангжу, Китай създадоха 3D структура на Тюринг от полиамид. Субстанцията е резултат от реакцията между пиперазин и тримезоил хлорид. При типични условия тримезоил хлоридът дифузира по-бързо от пиперазина, но не достатъчно бързо, за да доведе до структура на Тюринг. Но изследователите, водени от материал учен Лин Чан (Lin Zhang), добавят поливинилов алкохол към пиперазина, понижавайки скоростта на дифузия и което му позволява да действа като активатор на инхибитора тримезоил хлорид.
Полученият материал е грапава, пореста мрежа с наноструктура, наподобяваща модела на Тюринг. Китайските изследователи дори успяха да отпечатат два варианта: точкови и тръбни. Това са двата вида самоорганизираща се структура, предсказани от модела на Тюринг.
Основната цел на новото изследване бе да се произведат 3D структури на Тюринг. Изследователите обаче с изненада разбраха, че мембраните, създадени по този начин, са невероятно ефективни водни филтри. Благодарение на тръбната структура на филтъра, водата е принудена да преминава през много по-голяма повърхност в сравнение с конвенционалните филтри.
(А) Схематична диаграма на взаимодействие на активатор-инхибитор в процес на реакция-дифузия. Реакциите, водещи до структури на Тюринг, разчитат на конкурентни активиращи (червени) и инхибиторни (синьо) кинетични пътища. (B) Пространствено представяне на локално активиране и странично инхибиране. В две измерения структурите на Тюринг обикновено се състоят от петна или ивици. (С) Схематично илюстриране на повърхностна полимеризация на системата на Тюринг. Инхибиторът (TMC) се разтваря в органичната фаза (горе), а активаторът (PZ) и макромолекулата (PVA) се разтварят във водните фази (дъното). Мембраната (PA) с наномащабни структури на Тюринг се формира върху пореста подложка (PSU). (D и E) AFM топографски изображения на Тюрингови тип РА мембрани. Ярко жълтите и оранжевите региони съответстват на формираните твърди наномащабни структури на Тюринг. Първоначалните концентрации на наномащабни петна (D) са 6 mМ, [PZ] = 28 mМ и [PVA] = 12 mМ, а за наномащабните тръбички (Е), [TMC] = 8 mМ, [PZ] =23 mМ и [PVA] = 32 mМ. Областта на сканиране е 2 μm на 2 μm. Кредит: Z. Tan et al. / Sci
В експериментите количеството на солта в леко солев разтвор, преминаващ през филтъра на Тюринг, намалява наполовина. Филтърът на Тюринг се оказа много по-ефективен с други соли - магнезиевият хлорид е намален с повече от 90%, а магнезиевият сулфат е намален с повече от 99%, се съобщава в списание Science.
Въпреки че мембраните може да бъдат непрактични използвани самостоятелно за обезсоляване на морска вода, поради по-скоро ниската си ефективност за тази цел, те може да се използват за предварителна обработка на морската вода, преди да се елиминира останалата част от солта чрез обратна осмоза, което ще направи цялостния процес много по-ефективен.
Тръбният Тюрингов филтър може да бъде полезен и за пречистване на пресолена вода и промишлени отпадъчни води. И може би в бъдеще тръбните структури на Тюринг да бъдат използвани за изкуствени вени или кости.
Тюринг би бил доволен!
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари