211service.com
Syntetický strom táhne vodu
Strom dokáže dopravit vodu na úžasnou vzdálenost – od svých kořenů, přes kmen vysoký až 85 metrů až po listy, kde se voda vypařuje. Nyní vědci z Cornell University vytvořili mikrofluidní systém, který tento proces napodobuje. Jejich syntetický strom otevírá nový způsob, jak přemisťovat kapaliny na dlouhé vzdálenosti bez použití mechanických čerpadel.
Rozvětvení : Mikroskopické kanálky vyleptané do tenké vrstvy hydrogelu napodobují kapiláry v kořenovém a listovém systému stromu. Další kanál představuje kmen stromu.
Abraham Stroock , odborný asistent chemického a biologického inženýrství na Cornell, a postgraduální student Tobias Wheeler vytvořili syntetický strom z tenké vrstvy hydrogelu, materiálu běžněji používaného k výrobě kontaktních čoček. Do hydrogelu vyleptali dvě sítě paralelních kanálků, které reprezentovaly kapiláry v kořenovém systému stromu a také kapiláry v jeho listech. Propojili obě sítě jediným kanálem představujícím kmen stromu.
U skutečného stromu je odpařování z listů to, co táhne vodu nahoru rostlinou – proces známý jako transpirace. K tomuto odpařování dochází, protože rostliny potřebují k fotosyntéze přijímat oxid uhličitý. Když otevřou své buňky pro veškerou tuto difúzi CO2, voda difunduje mnohem rychleji, říká N. Michele Holbrook , profesor biologie a lesnictví na Harvardské univerzitě. Všechna tato voda, která přichází na strom, je proto, že se snaží získat CO2. Devadesát devět procent té vody prochází přímo skrz strom.
Stroock a Wheeler zjistili, že jejich systém přesně napodobuje tento proces transpirace a protahuje vodu v síle několikanásobně větší, než je síla uvnitř skutečného stromu. Závěry vědců se objevily minulý týden v časopise Příroda .
Navíc, protože voda ve stromu je pod podtlakem – jako by byla nasávána brčkem – je voda v metastabilním stavu, což znamená, že je mezi kapalinou a párou. Syntetický strom by tedy mohl sloužit také jako modelový systém pro studium kapalin v tomto stavu. Metastabilní kapaliny, ačkoli jsou důležité v základních otázkách vědy, mají tendenci být kuriozity, na rozdíl od hlavních součástí technologických aplikací, říká Pablo Debenedetti, profesor chemického inženýrství na Princetonské univerzitě. V případě kapaliny pod podtlakem by měla tendenci se vařit a stát se párou, aby se uvolnil podtlak. Stromům se ale podařilo zacházet s vodou v metastabilním stavu velmi efektivně, a proto je tato práce tak pěkná.
Výběr hydrogelu pro materiál byl klíčový pro fungování systému, říká Stroock. Jeho tým věděl, že porézní pevná látka generuje kapilární účinek v rostlinách, aby protáhla vodu kanálky, a že menší velikost pórů se promítá do větších negativních tlaků. A co víc, tým věděl, že velikost pórů nemůže být větší než 10 nanometrů, jinak se póry neudrží na kapalině a celá rostlina přes tyto póry vyschne, říká Stroock. Charakteristikou gelu, která je důležitá, je, že je to porézní pevná látka, ale směs pevné fáze a kapalné fáze je na molekulárním měřítku nižší. Je to jako získat póry v subnanometrovém měřítku.
Strock si myslí, že syntetický stromový systém by mohl být použit k pasivnímu pohybu kapalin bez potřeby mechanických čerpadel. V aplikacích pro přenos tepla by mohl chladit malá zařízení, jako jsou notebooky, nebo větší, jako jsou vozidla, nebo dokonce budovy. Mohlo by to být také součástí systému sanace půdy, říká Stroock. Místo toho, aby bylo nutné zaplavit půdu vodou, aby se vyplavily kontaminanty, umělý strom by mohl kontaminovanou vodu vytáhnout.
Tento papír je spíše důkazem principu, ale chytrým výběrem materiálů a mikroobráběním ukazuje, že dokážete manipulovat s kapalinami pod napětím stabilním a reprodukovatelným způsobem, říká Debenedetti.