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L'albero sintetico tira l'acqua
Un albero può trasportare l'acqua a una distanza incredibile: dalle sue radici, attraverso un tronco alto fino a 85 metri, e infine alle sue foglie, dove l'acqua evapora. Ora, gli scienziati della Cornell University hanno creato un sistema microfluidico per imitare quel processo. Il loro albero sintetico apre un nuovo modo per spostare liquidi su lunghe distanze senza l'utilizzo di pompe meccaniche.
ramificazione : Canali microscopici incisi in un sottile foglio di idrogel imitano i capillari nel sistema radicale e fogliare di un albero. Un altro canale rappresenta il tronco dell'albero.
Abraham Stroock , un assistente professore di ingegneria chimica e biologica alla Cornell, e lo studente laureato Tobias Wheeler hanno creato l'albero sintetico da un sottile foglio di idrogel, un materiale più comunemente usato per realizzare lenti a contatto. Hanno inciso due reti di canali paralleli nell'idrogel per rappresentare i capillari nell'apparato radicale di un albero e quelli nelle sue foglie. Collegavano le due reti con un unico canale che rappresentava il tronco dell'albero.
In un vero albero, l'evaporazione dalle foglie è ciò che attira l'acqua attraverso la pianta, un processo noto come traspirazione. Questa evaporazione si verifica perché le piante devono assorbire anidride carbonica per eseguire la fotosintesi. Quando aprono le loro cellule per tutta questa diffusione di CO2, l'acqua si diffonde molto più velocemente, dice N. Michele Holbrook , professore di biologia e silvicoltura all'Università di Harvard. Tutta quest'acqua che sale sull'albero è perché sta cercando di ottenere CO2. Il novantanove percento di quell'acqua passa proprio attraverso l'albero.
Stroock e Wheeler hanno scoperto che il loro sistema imita accuratamente questo processo di traspirazione, facendo passare l'acqua con una forza diverse volte maggiore di quella all'interno di un vero albero. I risultati dei ricercatori sono apparsi la scorsa settimana sulla rivista Natura .
Inoltre, poiché l'acqua in un albero è sotto pressione negativa, come se fosse aspirata attraverso una cannuccia, l'acqua è in uno stato metastabile, nel senso che si trova tra un liquido e un vapore. Quindi l'albero sintetico potrebbe anche servire come sistema modello per studiare i liquidi in questo stato. I liquidi metastabili, sebbene siano importanti nelle questioni fondamentali della scienza, tendono ad essere curiosità, al contrario dei componenti principali delle applicazioni tecnologiche, afferma Pablo Debenedetti, professore di ingegneria chimica all'Università di Princeton. Nel caso di liquido sotto pressione negativa, tenderebbe a bollire e diventerebbe un vapore per alleviare la pressione negativa. Ma gli alberi sono riusciti a gestire l'acqua in uno stato metastabile in modo molto efficiente, ecco perché questo lavoro è così bello.
La scelta di un idrogel per il materiale è stata la chiave per far funzionare il sistema, afferma Stroock. Il suo team sapeva che un solido poroso genera l'azione capillare nelle piante per tirare l'acqua attraverso i canali e che una dimensione dei pori più piccola si traduce in pressioni negative più grandi. Inoltre, il team sapeva che la dimensione dei pori non può essere maggiore di 10 nanometri, altrimenti quel poro non riuscirà a trattenere il liquido e l'intera pianta si asciugherà attraverso quel poro, dice Stroock. La caratteristica di un gel che è importante è che è un solido poroso, ma la miscela della fase solida e della fase liquida è su scala molecolare. È come ottenere pori su scala subnanometrica.
Stroock prevede che il sistema ad albero sintetico possa essere utilizzato per spostare liquidi in modo passivo senza bisogno di pompe meccaniche. Nelle applicazioni di trasferimento di calore, potrebbe raffreddare piccoli dispositivi, come computer portatili, o più grandi, come veicoli o persino edifici. Potrebbe anche essere parte di un sistema di bonifica del suolo, afferma Stroock. Invece di dover inondare il terreno con acqua per eliminare i contaminanti, un albero sintetico potrebbe estrarre l'acqua contaminata.
Questa carta è più una prova di principio, ma attraverso un'intelligente selezione di materiali e microlavorazioni, mostra che puoi gestire liquidi sotto tensione in modo stabile e riproducibile, afferma Debenedetti.