211service.com
Syntetiskt träd drar vatten
Ett träd kan transportera vatten ett fantastiskt avstånd – från dess rötter, genom en stam som är upp till 85 meter hög, och slutligen till dess löv, där vattnet avdunstar. Nu har forskare vid Cornell University skapat ett mikrofluidiskt system för att efterlikna den processen. Deras syntetiska träd öppnar upp ett nytt sätt att flytta vätskor över långa avstånd utan att använda mekaniska pumpar.
Förgrenar sig : Mikroskopiska kanaler etsade i ett tunt ark av hydrogel efterliknar kapillärerna i ett träds rot- och bladsystem. En annan kanal representerar trädstammen.
Abraham Stroock , en biträdande professor i kemisk och biologisk ingenjörskonst vid Cornell, och doktorand Tobias Wheeler skapade det syntetiska trädet av ett tunt ark av hydrogel, ett material som oftare används för att göra kontaktlinser. De etsade in två nätverk av parallella kanaler i hydrogelen för att representera kapillärerna i ett träds rotsystem såväl som de i dess blad. De kopplade ihop de två nätverken med en enda kanal som representerar trädets stam.
I ett riktigt träd är avdunstning från löven det som drar vatten upp genom växten - en process som kallas transpiration. Denna avdunstning sker på grund av att växter behöver ta i koldioxid för att utföra fotosyntes. När de öppnar sina celler för all denna CO2-diffusion, diffunderar vattnet ut mycket snabbare, säger de N. Michele Holbrook , professor i biologi och skogsbruk vid Harvard University. Allt detta vatten som kommer upp i trädet beror på att det försöker få ut CO2. Nittio-nio procent av det vattnet går rakt igenom trädet.
Stroock och Wheeler fann att deras system exakt efterliknar denna transpirationsprocess och drar igenom vatten med styrkor flera gånger större än de inuti ett riktigt träd. Forskarnas resultat publicerades förra veckan i tidskriften Natur .
Dessutom, eftersom vattnet i ett träd är under negativt tryck - som om det skulle sugas upp genom ett sugrör - är vattnet i ett metastabilt tillstånd, vilket betyder att det är mellan en vätska och en ånga. Så det syntetiska trädet kan också fungera som ett modellsystem för att studera vätskor i detta tillstånd. Metastabila vätskor, även om de är viktiga i grundläggande vetenskapsfrågor, tenderar att vara kuriosa, i motsats till huvudkomponenterna i tekniska tillämpningar, säger Pablo Debenedetti, professor i kemiteknik vid Princeton University. I fallet med vätska under undertryck, skulle den tendera att koka och bli en ånga för att lätta undertrycket. Men träd har lyckats hantera vatten i ett metastabilt tillstånd mycket effektivt, så det är därför det här arbetet är så trevligt.
Att välja en hydrogel för materialet var nyckeln till att få systemet att fungera, säger Stroock. Hans team visste att ett poröst fast ämne genererar kapillärverkan i växter för att dra vattnet genom kanalerna, och att en mindre porstorlek leder till större negativa tryck. Dessutom visste teamet att porstorleken inte kan vara större än 10 nanometer, annars kommer den poren inte att hålla fast vid vätskan, och hela växten kommer att torka ut genom den poren, säger Stroock. Egenskapen för en gel som är viktig är att den är ett poröst fast ämne, men blandningen av den fasta fasen och den flytande fasen är nere på molekylär skala. Det är som att få porer i subnanometerskala.
Stroock föreställer sig att det syntetiska trädsystemet skulle kunna användas för att passivt flytta vätskor utan att behöva mekaniska pumpar. I värmeöverföringsapplikationer kan det kyla små enheter, som bärbara datorer, eller större, som fordon eller till och med byggnader. Det kan också vara en del av ett marksaneringssystem, säger Stroock. Istället för att behöva översvämma marken med vatten för att spola ut föroreningar, kan ett syntetiskt träd dra ut det förorenade vattnet.
Detta papper är mer principiellt, men genom smart materialval och mikrobearbetning visar det att du kan hantera vätskor under spänning på ett stabilt och reproducerbart sätt, säger Debenedetti.