211service.com
Syntetiske træer trækker vand
Et træ kan transportere vand en forbløffende afstand – fra dets rødder, gennem en op til 85 meter høj stamme og til sidst til dets blade, hvor vandet fordamper. Nu har forskere ved Cornell University skabt et mikrofluidisk system til at efterligne denne proces. Deres syntetiske træ åbner op for en ny måde at flytte væsker over lange afstande uden at bruge mekaniske pumper.
Forgrener sig : Mikroskopiske kanaler ætset ind i en tynd plade af hydrogel efterligner kapillærerne i et træs rod- og bladsystem. En anden kanal repræsenterer træstammen.
Abraham Stroock , en assisterende professor i kemi og biologisk teknik ved Cornell, og kandidatstuderende Tobias Wheeler skabte det syntetiske træ ud af et tyndt lag hydrogel, et materiale, der er mere almindeligt brugt til at fremstille kontaktlinser. De ætsede to netværk af parallelle kanaler ind i hydrogelen for at repræsentere kapillærerne i et træs rodsystem såvel som dem i dets blade. De forbandt de to netværk med en enkelt kanal, der repræsenterer træets stamme.
I et rigtigt træ er fordampning fra bladene det, der trækker vand op gennem planten - en proces kendt som transpiration. Denne fordampning sker, fordi planter skal optage kuldioxid for at udføre fotosyntese. Når de åbner deres celler for al denne CO2-diffusion, diffunderer vandet meget hurtigere ud, siger de N. Michele Holbrook , professor i biologi og skovbrug ved Harvard University. Alt dette vand, der kommer op i træet, er fordi det forsøger at få CO2. Nioghalvfems procent af det vand går lige gennem træet.
Stroock og Wheeler fandt ud af, at deres system nøjagtigt efterligner denne transpirationsproces og trækker vand igennem med styrker flere gange større end dem inde i et rigtigt træ. Forskernes resultater dukkede op i sidste uge i tidsskriftet Natur .
Desuden, fordi vandet i et træ er under undertryk - som om det blev suget op gennem et sugerør - er vandet i en metastabil tilstand, hvilket betyder, at det er mellem en væske og en damp. Så det syntetiske træ kunne også tjene som et modelsystem til at studere væsker i denne tilstand. Metastabile væsker, selvom de er vigtige i grundlæggende videnskabsspørgsmål, har en tendens til at være kuriositeter, i modsætning til hovedkomponenter af teknologiske applikationer, siger Pablo Debenedetti, professor i kemiteknik ved Princeton University. I tilfælde af væske under negativt tryk, ville det have en tendens til at koge og blive til en damp for at lette undertrykket. Men træer har formået at håndtere vand i en metastabil tilstand meget effektivt, så derfor er dette arbejde så flot.
At vælge en hydrogel til materialet var nøglen til at få systemet til at fungere, siger Stroock. Hans team vidste, at et porøst fast stof genererer kapillærvirkningen i planter for at trække vandet gennem kanalerne, og at en mindre porestørrelse udmønter sig i større undertryk. Hvad mere er, vidste holdet, at porestørrelsen ikke må være større end 10 nanometer, ellers vil den pore ikke holde på væsken, og hele planten vil tørre ud gennem den pore, siger Stroock. Egenskaben ved en gel, der er vigtig, er, at den er et porøst fast stof, men blandingen af den faste fase og den flydende fase er nede på molekylær skala. Det er som at få subnanometer-skala porer.
Stroock forestiller sig, at det syntetiske træsystem kunne bruges til at flytte væsker passivt uden brug af mekaniske pumper. I varmeoverførselsapplikationer kan det køle små enheder, såsom bærbare computere, eller større, såsom køretøjer eller endda bygninger. Det kunne også være en del af et jordrensningssystem, siger Stroock. I stedet for at skulle oversvømme jorden med vand for at skylle forurenende stoffer ud, kunne et syntetisk træ trække det forurenede vand ud.
Dette papir er mere principielt, men ved smart materialevalg og mikrobearbejdning viser det, at du kan håndtere væsker under spænding på en stabil og reproducerbar måde, siger Debenedetti.