211service.com
Woda do zrywania drzew syntetycznych
Drzewo potrafi transportować wodę na niesamowitą odległość – od korzeni, przez pień o wysokości do 85 metrów, aż do liści, gdzie woda wyparowuje. Teraz naukowcy z Cornell University stworzyli system mikroprzepływowy, który ma naśladować ten proces. Ich syntetyczne drzewo otwiera nowy sposób przenoszenia płynów na duże odległości bez użycia pomp mechanicznych.
Rozgałęzienie : Mikroskopijne kanaliki wyryte w cienkim arkuszu hydrożelu naśladują naczynia włosowate w systemie korzeniowym i liściowym drzewa. Kolejny kanał reprezentuje pień drzewa.
Abraham Stroock , adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej w Cornell oraz doktorant Tobias Wheeler stworzyli syntetyczne drzewo z cienkiej warstwy hydrożelu, materiału częściej używanego do produkcji soczewek kontaktowych. Wytrawili w hydrożelu dwie sieci równoległych kanałów, które reprezentują naczynia włosowate w systemie korzeniowym drzewa, a także te w jego liściach. Połączyli dwie sieci jednym kanałem reprezentującym pień drzewa.
W prawdziwym drzewie parowanie z liści jest tym, co wciąga wodę przez roślinę – jest to proces znany jako transpiracja. To parowanie zachodzi, ponieważ rośliny muszą pobierać dwutlenek węgla, aby przeprowadzić fotosyntezę. Kiedy otwierają swoje komórki na całą dyfuzję CO2, woda dyfunduje znacznie szybciej, mówi N. Michele Holbrook , profesor biologii i leśnictwa na Uniwersytecie Harvarda. Cała ta woda, która unosi się na drzewie, jest spowodowana tym, że próbuje uzyskać CO2. Dziewięćdziesiąt dziewięć procent tej wody przechodzi przez drzewo.
Stroock i Wheeler odkryli, że ich system dokładnie naśladuje ten proces transpiracji, przeciągając wodę z siłą kilka razy większą niż w prawdziwym drzewie. Odkrycia naukowców pojawiły się w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Natura .
Co więcej, ponieważ woda w drzewie znajduje się pod ciśnieniem ujemnym – jakby była zasysana przez słomkę – woda jest w stanie metastabilnym, co oznacza, że znajduje się pomiędzy cieczą a parą. Tak więc syntetyczne drzewo może również służyć jako system modelowy do badania płynów w tym stanie. Ciecze metastabilne, choć są ważne w fundamentalnych kwestiach naukowych, bywają ciekawostkami, w przeciwieństwie do głównych składników zastosowań technologicznych, mówi Pablo Debenedetti, profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Princeton. W przypadku cieczy pod ujemnym ciśnieniem, miałaby tendencję do wrzenia i przekształcenia się w parę, aby zmniejszyć podciśnienie. Ale drzewa bardzo skutecznie radziły sobie z wodą w stanie metastabilnym, dlatego ta praca jest tak przyjemna.
Wybór hydrożelu dla materiału był kluczem do działania systemu, mówi Stroock. Jego zespół wiedział, że porowate ciało stałe wywołuje w roślinach działanie kapilarne, które przeciągają wodę przez kanały, oraz że mniejszy rozmiar porów przekłada się na większe podciśnienie. Co więcej, zespół wiedział, że rozmiar porów nie może być większy niż 10 nanometrów, w przeciwnym razie por nie utrzyma się w cieczy, a cała roślina wyschnie przez ten por, mówi Stroock. Ważną cechą żelu jest to, że jest porowatym ciałem stałym, ale mieszanina fazy stałej i fazy ciekłej jest mniejsza w skali molekularnej. To jak uzyskanie porów w skali subnanometrów.
Stroock przewiduje, że system syntetycznego drzewa może być używany do pasywnego przenoszenia cieczy bez konieczności stosowania pomp mechanicznych. W zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła może chłodzić małe urządzenia, takie jak laptopy, lub większe, takie jak pojazdy, a nawet budynki. Może być również częścią systemu rekultywacji gleby, mówi Stroock. Zamiast zalewać glebę wodą w celu wypłukania zanieczyszczeń, syntetyczne drzewo może wyciągnąć skażoną wodę.
Ten dokument jest bardziej dowodem zasad, ale dzięki sprytnemu doborowi materiałów i mikroobróbki pokazuje, że można obsługiwać płyny pod napięciem w stabilny i powtarzalny sposób, mówi Debenedetti.