Tehispuu pumpab vett
Cornelli abiprofessor keemilise ja bioloogilise inseneritehnika alal Abraham Stroock ning kõrghariduse teise astme üliõpilane Tobias Wheeler konstrueerisid sünteetilise puu õhukesest hüdrogeelilehest; seni on hüdrogeeli kasutatud peamiselt kontaktläätsede valmistamiseks. Teadurid uuristasid hüdrogeeli sisse kaks rööpsete kanalite maatriksit, mis matkivad nii puude juurestiku kui lehtede kapillaare. Kaks maatriksit ühendati kanaliga, mis matkis puu tüve tööd.
Päris puu puhul on vett läbi taime tõmbavaks jõuks aurumine lehtedelt — protsess, mida nimetatakse transpiratsiooniks. Aurumine toimub sellepärast, et taimed vajavad fotosünteesi läbiviimiseks süsinikdioksiidi (süsihappegaasi). “Kui nad oma rakud kogu selleks CO2-difusiooniks avavad, hajub vesi märksa kiiremini,” selgitab Harvardi Ülikooli bioloogia ja metsanduse professor N. Michele Holbrook. “Kogu vesi imetakse puusse ainult selleks, et sealt CO2 kätte saada. 92% sellest veest läheb puust lihtsalt läbi.”
Stroock ja Wheeler leidsid, et nende süsteem matkib täpselt seda transpiratsiooniprotsessi, tõmmates vett kordades tugevama jõuga kui päris puu. Teadlaste leide kirjeldav uurimus ilmus möödunud nädalal žurnaalis Nature.
Kuna vesi on puu sees negatiivse rõhu all — nagu seda imetaks läbi kõrre —, on see metastabiilses seisundis, s.t vedeliku ja auru vahepealses olekus. Seega võib sünteetilist puud kasutada ka mudelsüsteemina vedelike sellise oleku uurimiseks. “Metastabiilsed vedelikud kipuvad hoolimata olulisusest fundamentaalsetes teadusküsimustes olema haruldused, mitte tehnoloogiliste rakenduste võtmekomponendid,” ütles Princetoni Ülikooli keemilise inseneriõppe professor Pablo Debenedetti. “Vedelikud, mis on negatiivse rõhu all, kipuvad selle rõhu nullimiseks kergesti keema minema ja aurustuma. Ent puudel on õnnestunud metastabiilset vett väga tõhusalt käidelda, mistõttu see uurimustöö on väga tervitatav.”
Hüdrogeeli valimine materjaliks osutus murdelise tähtsusega eelduseks süsteemi tööle, kinnitab Stroock. Tema rühm teadis, et poorne tahke aine tekitab taimedes kapillaarse reaktsiooni, mis juhib vee läbi kanalite, ning et mida väiksem on poori läbimõõt, seda tugevam on negatiivne rõhk. Lisaks teadsid teadurid, et poori läbimõõt ei tohi ületada 10 nanomeetrit, muidu “ei suuda poor vett kinni hoida ning kogu taim kuivab selle poori kaudu ära,” selgitab Stroock. “Geeli juures on oluline omadus see, et tegemist on poorse tahke ainega, kuid tahke ja vedela faasi segunemine toimub molekulaarses mõõtkavas. See on samaväärne pooridega suurusjärgus alla nanomeetri.”
Stroock loodab, et sünteetilise puu süsteemi saab rakendada vedelike passiivseks transpordiks vajaduseta mehaaniliste pumpade järele. Soojusülekande-rakendustes võiks see jahutada mikroelektroonikat, näiteks sülearvuteid, või ka suuremaid süsteeme, näiteks sõidukeid ja isegi hooneid. See võiks koguni olla osa pinnase parandamise süsteemist, ütleb Stroock. Selle asemel, et pinnas saasteainete väljauhtumiseks veega läbi leotada, võiks sünteetiline puu saastunud vee lihtsalt välja imeda.
“Käesoleval uurimustööl on pigem printsiipi kinnitav väärtus, kuid materjalide ja mikromasin-töötluse nutika valiku toel näitab see, et rõhu all vedelikke on võimalik hallata stabiilsel ja korrataval viisil,” ütleb Debenedetti.
Tõlkinud Mart Kalvet.
