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科学家首次实现会汲水的“人造树”

admin 人造钻石 2020年07月17日

  图片说明:这幅光学显微图呈现出一条“植物主干”通道(左侧中间细的一根)从左侧插入“叶片”微通道网络。这些通道的宽度大约为100微米。(图片来源:Tobias Wheeler)

  美国科学家在一项最新研究中,用隐形眼镜的原材料人工凝胶制造出了“芯片上的树”,它能够复制植物中特有的水分运输。该研究成果有望改善土壤修复技术,并创造出更加有效的冷却系统。相关论文发表在9月11日的《自然》杂志上。

  当植物发生蒸腾作用时,叶片中的水压减小,根部水分就会通过木质部运输向叶片。通常情况下,该过程中产生的负压会令一些水蒸发成小泡,称作“木质部栓塞”(xylem embolisms)。它会打破水柱的凝聚力,阻断传输。但木质部通道的两端都结合有带微孔的膜,这些孔能够阻碍通道中的水超越其表面张力,发生蒸发。

  尽管科学家对上述理论的了解已经长达一个世纪,并且已经找到大量的实验证据支持,但所有在实验室中尝试复制这一系统的努力都以失败告终。原因要么是人造通道太脆弱,无法承受压力差异,要么是通道壁的微小瑕疵导致了“栓塞”,从而阻断了整个系统。美国康奈尔大学的生物工程学家Abraham Stroock表示,更让人对大树感到惊讶的是,它们可以维持超过50米的水柱的完整性。

  不过,在最新的研究中,Stroock和同事Tobias Wheeler成功克服了技术上的困难,用基于聚甲基丙烯酸羟乙酯(hydroxyethyl methacrylate)的水凝胶制成了带有微小、均匀的孔的通道。他们在此基础上开发出的系统,能够形成一种持续的负压,通过“根”从水蒸气中汲取水分,并将液态水沿着水凝胶通道运达“叶片”,再从这里蒸发出去。

  美国哈佛大学的植物生理学家Michele Holbrook表示,能够利用水蒸气让这些人造树比真实的树更进了一步,植物吸收液态形式的水分要容易一些。她说,从某种意义上,新的研究已经创造出了一种“超级作物”。

  研究人员利用水凝胶的“灵感”应该是来自植物生理学,因为植物细胞壁中就包含有胶质。哈佛大学的应用物理学家David Weitz说,比起之前的尝试,水凝胶的利用大大提升了汲水效率。

  新的人造树有望为植物生理学家开辟一条道路,来确定为何实际测量有时会产生莫名其妙的结果。加州大学伯克利分校的生态生理学家Todd Dawson说,“许多对地球上最大最高的树,如红杉,进行过持续研究的人,他们搜集的数据与现行的理论预测并不甚吻合。”他认为这可能是侵入式研究方法引起的。对此,新的人造树系统可以提供一种更加可控的方式,来研究此类问题。

  其他一些人则想到了完全不同的应用。Stroock认为,新设计加以改进后,将可用于制造能够从地下水位以上汲水的设备,这是人类到目前为止很难实现的。类似的原理还可用来开发更高效的冷却设备。

  然而,Weitz表示,该方法能否用于实践,日后才能见分晓。“不过我想该研究的整个思路对设计新的系统是很重要的,正是简易性令这项新工作十分美妙。”(科学网 任霄鹏/编译)

  ),455, 208-212 (11 September 2008),Tobias D. Wheeler & Abraham D. Stroock)


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