Легендарный криптограф и математик Алан Тьюринг известен тем, что создал во времена Второй мировой дешифровальную машину, которая позволила взломать код нацистской "Энигмы", а также разработал машину Тьюринга, которая считается первым прототипом компьютера общего назначения.
Но настоящие гении редко ограничиваются одной областью знаний. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Тьюринг уделял внимание и другим областям, к примеру, биологии. Лишь недавно, впрочем, исследования знаменитого британца смогли применить на практике.
Команда китайских учёных из Чжэцзянского университета представила фильтр для воды, который удаляет из неё различные соли в три раза быстрее, чем все существующие аналоги. А в основу разработки легла математическая модель, разработанная Аланом Тьюрингом.
Ещё в 1952 году учёный предсказал, что два химических вещества, активатор и ингибитор, могут при определённых условиях реагировать друг с другом и диффундировать (то есть смешиваться, взаимопроникать) для создания пространственно-временных постоянных структур. Такие модели, в том числе биологические, описываются уравнением типа "реакция-диффузия". Речь идёт о состоянии, когда два вещества формируют, например, полосы, пятна или спирали (вспомним полоски на шкуре зебры или закрученную в спираль раковину улитки).
Последующие работы подтвердили гипотезу британца, и модель получила название "структура Тьюринга".
В своей работе исследователь описал математический принцип на примере морфогенеза, посредством которого клетки эмбриона начинают формирование костей и органов. В ходе такого процесса два вещества постоянно реагируют друг с другом, но с разными скоростями диффундируют в среде (например, в растворе). Быстро диффундирующий реагент, называемый ингибитором, мешает более медленному, активатору. В результате этого взаимодействия и получается уникальный конечный продукт.
(Любопытно, что модель описывает не только формирование биологических материалов, но даже появление ряби на песке или движение денежных средств на финансовых рынках.)
В сопроводительной статье к научной работе китайских учёных в журнале Nature отмечается, что любые попытки синтезировать структуры Тьюринга в лабораторных условиях, например, при помощи трёхмерной печати, ограничивались лишь двумерными узорами (а они уже не могут считаться именно такими структурами, о которых идёт речь).
Китайская команда представила первую практическую реализацию, создав из полиамида при помощи межфазной полимеризации трубчатые нити диаметром всего в десятки нанометров.
Поясним, что полиамид – это разновидность пластика, результат химической реакции между пиперазином и тримезол-хлоридом. Последний диффундирует в растворе быстрее, то есть вполне подходит на роль одного из компонентов системы, описанной выше. Правда, скорость его диффузии была слишком велика для получения структур Тьюринга. Поэтому авторы разработки пошли на хитрость и добавили к пиперазину поливиниловый спирт, который уменьшает скорость диффузии до нужного показателя. В результате получились те самые активатор и ингибитор.
На вид полученный в итоге материал напоминает пористую сетку, похожую на нейлон, и лишь под электронным микроскопом можно увидеть ту самую структуру Тьюринга, поясняют специалисты.
В ходе экспериментов они создали сразу два типа самоорганизующихся структур – трубки и точки.
Глава исследовательской группы Чжан Линь (Zhang Lin) признаётся, что он и его коллеги были в восторге от самого этого результата. Однако они ещё больше удивились и обрадовались, когда поняли, что созданный материал является эффективным фильтром для воды.
Трубчатая структура даёт полиамиду огромное преимущество перед аналогами. В ходе экспериментов было показано, что за один цикл фильтрации новый материал "отсеивал" 50% хлорида натрия (поваренной соли), а также другие соли, например, хлорид магния (90%) и сульфат магния (99%).
Расчёты показали, что один квадратный метр такой фильтрующей сетки способен очищать до 125 литров воды в час при относительно низком давлении (пять атмосфер). Это в три раза быстрее по сравнению со скоростью работы существующих сегодня фильтров.
Правда, относительно низкая способность к фильтрации поваренной соли делает фильтр – в нынешнем варианте – непригодным для опреснения морской воды. Зато для очистки воды в промышленных целях он подойдёт как нельзя лучше, уверены учёные.
Сам же подход к созданию структур Тьюринга найдёт применение во многих других областях. В частности, специалисты уже задумываются о его применении в регенеративной медицине, например, в производстве искусственных вен или костной ткани.
Более подробно о работе китайских исследователей рассказывается в статье, опубликованной в журнале Science.
Кстати, ранее выяснилось, что появление узоров на коже ящериц подчиняется действию двух математических моделей — уравнению Тьюринга и автомату фон Неймана. А знаменитый тест Тьюринга пригодился учёным при создании искусственных клеток.
