211service.com
Synthetische boom haalt water weg
Een boom kan water over een verbazingwekkende afstand transporteren: van zijn wortels, door een stam tot 85 meter hoog, en uiteindelijk naar zijn bladeren, waar het water verdampt. Nu hebben wetenschappers van de Cornell University een microfluïdisch systeem gecreëerd om dat proces na te bootsen. Hun synthetische boom opent een nieuwe manier om vloeistoffen over lange afstanden te verplaatsen zonder mechanische pompen te gebruiken.
Uitbreiden : Microscopische kanaaltjes geëtst in een dunne laag hydrogel bootsen de haarvaten na in het wortel- en bladsysteem van een boom. Een ander kanaal stelt de boomstam voor.
Abraham Stroock , een assistent-professor chemische en biologische technologie aan Cornell, en afgestudeerde student Tobias Wheeler creëerden de synthetische boom uit een dun vel hydrogel, een materiaal dat vaker wordt gebruikt om contactlenzen te maken. Ze etsten twee netwerken van parallelle kanalen in de hydrogel om zowel de haarvaten in het wortelstelsel van een boom als die in de bladeren weer te geven. Ze verbonden de twee netwerken met een enkel kanaal dat de stam van de boom vertegenwoordigt.
In een echte boom trekt verdamping van de bladeren water door de plant - een proces dat bekend staat als transpiratie. Deze verdamping vindt plaats omdat planten koolstofdioxide moeten opnemen om fotosynthese uit te voeren. Wanneer ze hun cellen openen voor al deze CO2-diffusie, diffundeert het water veel sneller naar buiten, zegt N. Michele Holbrook , een professor in biologie en bosbouw aan de Harvard University. Al dit water dat de boom in komt, is omdat het CO2 probeert te krijgen. Negenennegentig procent van dat water gaat dwars door de boom.
Stroock en Wheeler ontdekten dat hun systeem dit transpiratieproces nauwkeurig nabootst en water doortrekt met een kracht die meerdere keren groter is dan die in een echte boom. De bevindingen van de onderzoekers verschenen vorige week in het tijdschrift Natuur .
Bovendien, omdat het water in een boom onder negatieve druk staat - alsof het door een rietje wordt opgezogen - bevindt het water zich in een metastabiele toestand, wat betekent dat het zich tussen een vloeistof en een damp bevindt. De kunstboom zou dus ook als modelsysteem kunnen dienen om vloeistoffen in deze toestand te bestuderen. Metastabiele vloeistoffen, hoewel ze belangrijk zijn in fundamentele wetenschappelijke kwesties, zijn meestal curiositeiten, in tegenstelling tot de belangrijkste componenten van technologische toepassingen, zegt Pablo Debenedetti, een professor in chemische technologie aan de Princeton University. In het geval van vloeistof onder negatieve druk, zou het de neiging hebben om te koken en een damp te worden om de negatieve druk te verlichten. Maar bomen zijn erin geslaagd om zeer efficiënt met water in een metastabiele staat om te gaan, daarom is dit werk zo mooi.
Het kiezen van een hydrogel voor het materiaal was de sleutel om het systeem te laten werken, zegt Stroock. Zijn team wist dat een poreuze vaste stof de capillaire werking in planten genereert om het water door de kanalen te trekken, en dat een kleinere poriegrootte zich vertaalt in grotere negatieve druk. Bovendien wist het team dat de poriegrootte niet groter mag zijn dan 10 nanometer, anders zal die porie de vloeistof niet vasthouden en zal de hele plant door die porie uitdrogen, zegt Stroock. Het kenmerk van een gel dat belangrijk is, is dat het een poreuze vaste stof is, maar het mengsel van de vaste fase en de vloeibare fase is lager op de moleculaire schaal. Het is alsof je poriën op subnanometerschaal krijgt.
Stroock voorziet dat het synthetische boomsysteem kan worden gebruikt om vloeistoffen passief te verplaatsen zonder mechanische pompen. In toepassingen voor warmteoverdracht kan het kleine apparaten, zoals laptops, of grotere, zoals voertuigen of zelfs gebouwen koelen. Het kan ook onderdeel zijn van een bodemsaneringssysteem, zegt Stroock. In plaats van de grond met water te moeten overspoelen om verontreinigingen weg te spoelen, kan een synthetische boom het vervuilde water eruit trekken.
Dit papier is meer een proof of principle, maar door slimme materiaalkeuze en microbewerking laat het zien dat je vloeistoffen onder spanning op een stabiele en reproduceerbare manier kunt hanteren, zegt Debenedetti.