211service.com
Agua de arrastre de árboles sintéticos
Un árbol puede transportar agua a una distancia asombrosa: desde sus raíces, a través de un tronco de hasta 85 metros de altura, y finalmente hasta sus hojas, donde el agua se evapora. Ahora, los científicos de la Universidad de Cornell han creado un sistema de microfluidos para imitar ese proceso. Su árbol sintético abre una nueva forma de mover líquidos a largas distancias sin utilizar bombas mecánicas.
Ramificarse : Los canales microscópicos grabados en una fina hoja de hidrogel imitan los capilares del sistema de raíces y hojas de un árbol. Otro canal representa el tronco del árbol.
Abraham Stroock , profesor asistente de ingeniería química y biológica en Cornell, y el estudiante de posgrado Tobias Wheeler crearon el árbol sintético a partir de una fina hoja de hidrogel, un material más comúnmente utilizado para fabricar lentes de contacto. Grabaron dos redes de canales paralelos en el hidrogel para representar los capilares en el sistema de raíces de un árbol, así como los de sus hojas. Conectaron las dos redes con un solo canal que representa el tronco del árbol.
En un árbol real, la evaporación de las hojas es lo que atrae el agua a través de la planta, un proceso conocido como transpiración. Esta evaporación se produce porque las plantas necesitan absorber dióxido de carbono para realizar la fotosíntesis. Cuando abren sus células para toda esta difusión de CO2, el agua se difunde mucho más rápido, dice N. Michele Holbrook , profesor de biología y silvicultura en la Universidad de Harvard. Toda esta agua que sube por el árbol se debe a que está tratando de obtener CO2. El noventa y nueve por ciento de esa agua atraviesa el árbol.
Stroock y Wheeler descubrieron que su sistema imita con precisión este proceso de transpiración, extrayendo agua con fuerzas varias veces mayores que las que se encuentran dentro de un árbol real. Los hallazgos de los investigadores aparecieron la semana pasada en la revista. Naturaleza .
Además, debido a que el agua en un árbol está bajo presión negativa, como si fuera succionada por una pajita, el agua está en un estado metaestable, lo que significa que está entre un líquido y un vapor. Entonces, el árbol sintético también podría servir como un sistema modelo para estudiar líquidos en este estado. Los líquidos metaestables, aunque son importantes en cuestiones fundamentales de la ciencia, tienden a ser curiosidades, a diferencia de los componentes principales de las aplicaciones tecnológicas, dice Pablo Debenedetti, profesor de ingeniería química en la Universidad de Princeton. En el caso de líquido a presión negativa, tendería a hervir y convertirse en vapor para aliviar la presión negativa. Pero los árboles se las han arreglado para manejar el agua en un estado metaestable de manera muy eficiente, por eso este trabajo es tan bueno.
La elección de un hidrogel para el material fue clave para que el sistema funcionara, dice Stroock. Su equipo sabía que un sólido poroso genera la acción capilar en las plantas para tirar del agua a través de los canales, y que un tamaño de poro más pequeño se traduce en presiones negativas más grandes. Es más, el equipo sabía que el tamaño de los poros no puede ser mayor de 10 nanómetros o, de lo contrario, el poro no retendrá el líquido y toda la planta se secará a través de ese poro, dice Stroock. La característica de un gel que es importante es que es un sólido poroso, pero la mezcla de la fase sólida y la fase líquida está por debajo de la escala molecular. Es como tener poros a escala subnanométrica.
Stroock prevé que el sistema de árbol sintético podría usarse para mover líquidos de forma pasiva sin necesidad de bombas mecánicas. En aplicaciones de transferencia de calor, podría enfriar dispositivos pequeños, como computadoras portátiles, o más grandes, como vehículos o incluso edificios. También podría ser parte de un sistema de remediación del suelo, dice Stroock. En lugar de tener que inundar el suelo con agua para eliminar los contaminantes, un árbol sintético podría sacar el agua contaminada.
Este papel es más una prueba de principios, pero mediante una inteligente selección de materiales y micromecanizado, demuestra que puede manejar líquidos bajo tensión de una manera estable y reproducible, dice Debenedetti.