Зачем учить искусственные материалы транспирировать
Деревья выкачивают из земли десятки литров за день, не пошевелив ни корнем, ни веткой — вода все делает сама. Рассказываем, какая физика заставляет воду устремляться по стволу в небо, и зачем ученые пытаются воспроизвести этот процесс в искусственных материалах, на примере недавнего изобретения физиков из Ливерморской национальной лаборатории.
Понятно, для чего потеет человек: так наше тело удерживает свою температуру в нужных пределах. На испарение тратится много теплоты, поэтому для терморегуляции его используют многие животные. Даже если потовых желез на теле мало, охлаждаться можно, испаряя воду и с других открытых поверхностей: собаки для этого высовывают язык из пасти, а птицы открывают клюв и начинают чаще дышать.Кроме управления температурой, потоотделение помогает животным выводить из организма избыток жидкости, солей и вредные вещества, а также создавать собственный запах, иногда нужный для социальных взаимодействий. Регуляция работы потовых желез — сложный гормональный процесс, а его сбой приводит, например, к гипергидрозу — избыточному потоотделению, которое свидетельствует не о высокой температуре окружающей среды, а о каких-то функциональных нарушениях.
Для растений испарение воды на листьях — куда более важный процесс, чем для животных. Оно тоже помогает им с терморегуляцией в жаркую погоду. Но помимо этого у «потоотделения» деревьев есть другая, намного более важная функция.
Носителем полезных веществ для растений служит вода (как, впрочем, и у животных). С восходящими токами по стволам берез и елей идут минеральные вещества, которые корни извлекли из почвы и отправили к стеблям, листьем и цветкам. Те взамен отправляют вниз растворы сахаров, полученных в ходе фотосинтеза.
Но у растений нет сердца. Наш «мотор» поддерживает циркуляцию крови в замкнутой системе сосудов. У растений вместо этого — множество маленьких «насосиков» и параллельных «труб», из которых образуются две проводящие ткани, ксилема и флоэма. По клеткам ксилемы вода поднимается от корней к листьям, а по клеткам флоэмы — отправляется от листьев в обратном направлении. Как артерии несут кровь, богатую кислородом, от легких к другим органам, а вены — от органов обратно к легким, так и флоэма — несет воду, богатую сахарами, от листьев к другим органам, а ксилема — воду без сахаров в обратном направлении к листьям.
Только происходит этот перенос не за счет сложных физиологических процессов, а по более простым фундаментальным физическим механизмам. Поэтому никакой дополнительной энергии на этот транспорт не приходится тратить ни розовому кусту, ни стометровой секвойе. Вода сама устремляется вверх по их стволам. Лес — это тысячи фонтанов, бьющих в небо.
Для транспорта воды растения используют два механизма: корневое давление толкает жидкость снизу, а капиллярные силы — тянут вверх.
Давление снизу возникает из-за избыточной солености в корне по сравнению с почвой. Этот перепад создает осмотическое давление, и вода стремится это недоразумение сгладить — так растение «пьет». Корневое давление иногда может достигать шести атмосфер, но в одиночку оно справляется с прокачкой воды только через очень невысокие растения. Основную работу по подъему воды наверх совершает уже атмосфера.
Если влажность снаружи не стопроцентная, то воды в воздухе всегда не хватает. Внутри растения же этой воды, высосанной из почвы, наоборот, довольно много. И если не запирать ее внутри стеблей и листьев насильно, то воздух будет тонкими струйками пара тянуть ее с поверхности растений.
У некоторых растений есть своеобразный аналог гипергидроза. Если окружающая температура слишком высокая, а относительная влажность близка к ста процентам, то вода просто не успевает испаряться через устьица на листьях. В таких ситуациях у некоторых тропических растений избыток жидкости выводится за счет гуттации — альтернативного механизма вывода воды с поверхности растения, который выдавливает лишнюю воду из растения полностью за счет корневого давления.
Этим процессом растения управляют при помощи устьиц — своеобразных потовых желез, покрывающих поверхность листьев. Если устьице открыто, то вода через него испаряется в воздух, а на освободившееся место из сосуда подтягивается новая. Если устьиц открыто много — а на квадратный миллиметр листа их приходится примерно 300 штук, поэтому у дерева их миллионы, — то с помощью транспирации можно прокачивать через растение большие объемы воды. Ель выкачивает из земли и поднимает в свою крону до 50 литров воды в сутки, а у бука счет идет уже на сотни литров. Самому растению для метаболизма из всей этой воды нужно не больше пары процентов, вся остальная, поднявшись наверх, просто уходит в воздух, превращаясь в пар.
Обратный ток, от листьев к внутренним частям стебля и корням, переносит продукты фотосинтеза. Механизм флоэмного транспорта, транслокация, чуть сложнее. От листьев к другим органам воду заставляет двигаться тоже осмотическое давление — просто, в отличие от корня, здесь оно возникает из-за разницы в концентрации сахаров между утекающей водой и потоком, который поднимается по ксилеме наверх неподалеку (поэтому флоэмный транспорт зависит от транспирации). За счет комбинации осмотических, гидростатических и капиллярных сил жидкость во флоэме разгоняется до десятков сантиметров в час.
Скорость транспирации (ей растение управляет, раскрывая или прикрывая устьица) изменяет количество воды, забираемой из почвы. А это, соответственно, влияет на ее влажность.
Из-за этого, например, одинаковое изменение состава атмосферы может по-разному изменить климат в разных регионах Земли. Например, тропические леса в бассейне Амазонки находятся довольно далеко от моря, поэтому влажность воздуха очень сильно зависит от транспирации, скорость которой определяется шириной раскрытия устьиц. А поскольку работа устьиц, которые регулируют еще и газообмен, завязана на концентрацию газов в атмосфере, то повышение концентрации CO2 неизбежно затормозит скорость переноса воды из почвы в воздух и сделает его суше. В тропиках Юго-Восточной Азии, однако, роль транспирации не столь велика. В такой ситуации намного заметнее эффект от увеличения разницы температуры воздуха над сушей и морем и усиления ветра с моря. Он приносит с собой большое количество облаков и повышает уровень осадков и влажность воздуха.
Ученые любят красть у природы технологии. С испарением для охлаждения все довольно просто: его технически несложно исполнить, причем практически в любой области. Японские инженеры еще в 2016 году создали потеющего робота, у которого система пассивного охлаждения моторов работала на испарении воды. А в прошлом году для микроэлектронных устройств, где просто нет места для вентиляторов, китайские ученые предложили специально конденсировать воду в металлоорганические каркасные структуры на поверхности устройства, чтобы потом просто испарять ее за счет избыточного нагрева.
Использовать древесину в качестве строительного материала человек начал очень давно. Даже научился выращивать ее ex planta, «в пробирке». Создал искусственные материалы, воспроизводящие механические свойства ксилемы. А вот мощный насос на движке испарения сделать оказалось намного сложнее.
Чтобы реализовать в искусственных трехмерных системах пассивный капиллярный транспорт за счет транспирации, нужно специально увеличивать эффективную площадь, с которой происходит испарение. И обычные капилляры, и микрофлюидные каналы — это закрытые системы, вода контактирует с воздухом только в конце своего пути. Поэтому основной способ решения этой проблемы — увеличивать площадь испаряющей поверхности. Растение эту задачу решает экстенсивно: на одном листе могут быть десятки тысяч устьиц.
Но если взялся подражать, сложно остановиться на достигнутом. Если уже получил дерево, почему бы его не доработать?
Одно из таких решений — убрать внешние стенки капилляра. Удержать в нем воду будет сложнее, зато скорость транспирации резко возрастет — ведь испарение будет происходить с каждого миллиметра открытой части капилляра, а не только с кончика. Именно такой способ выбрали американские физики из Ливерморской национальной лаборатории, чтобы сделать платформу для капиллярного транспорта, основанного на искусственной транспирации.
Помимо общего физического принципа, ученые подсмотрели у растений еще один важный базовый принцип для строительства искусственных капилляров сложной формы — они составляли их из небольших одинаковых элементов, благодаря чему их платформа стала масштабируемой и позволяет строить капилляры практически любой формы. В растении проводящие каналы состоят из клеток — члеников сосудов, в искусственном капилляре их место заняли миллиметровые каркасные кубики, как раз такого размера, чтобы совпадать с капиллярной длиной воды — чтобы сила поверхностного натяжения, которая тянет жидкость вверх, превосходила силу тяжести, которая тянет вниз.
Вершины кубика ученые соединили по ребрам и диагоналям: в эксперименте вода заполняла каждый из них, карабкаясь по этим соединениям, за пару сотен микросекунд.
Такие «клетки» легко печатать на 3D-принтере, их можно собирать в столбики, кубы или разветвленные деревья. Одна такая ячейка заполняется водой за несколько миллисекунд, а столбик из четырех ячеек — за десятые доли секунды. При этом практически вся поверхность жидкости находится в контакте с воздухом. Поэтому если опустить разветвленное дерево, составленное из таких элементов, в чашку с водой, то в нем можно запустить процесс транспирации, который обеспечивает и транспорт жидкости, и охлаждение. Такое дерево еще не секвойя и даже не ель, но оно уже может прокачивать через себя до семи миллилитров воды в минуту (то есть десять литров воды в день при бесконечном резервуаре с водой и постоянной температуре и влажности воздуха) — скорость соизмерима со скоростью испарения на фильтровальной бумаге. Конечно, эта величина сильно зависит от разницы температур, влажности и геометрии самого дерева.
Испаряет искусственная ель медленнее настоящей, зато напечатать «клетки» для нее можно из совсем разных материалов и менять за счет этого смачиваемость или, например, проводимость дерева. И управлять таким образом скоростью транспорта или прокладывать маршрут для жидкости по сложной трехмерной сетке.
Огромная площадь открытой поверхности не только ускоряет транспорт жидкости за счет испарения, но и позволяет «ловить» водой растворимые газы. Ученые показали, что если в воздухе достаточно углекислого газа — даже с не очень высоким парциальным давлением, — то на таком открытом капилляре с иерархической структурой можно за пять минут захватить 0,3 моль газа на каждый моль сорбента в водном растворе. А после захвата газа по каркасным миллиметровым веточкам можно транспортировать жидкость с уже адсорбированным газом в нужном направлении.
Основное достоинство такой платформы — огромная площадь открытой поверхности жидкости. Испарение с этой поверхности позволяет управлять скоростью транспорта жидкости, захват газа — проводить какие-то операции с ним, а на границе между ними могут протекать какие-то коллоидные процессы.
Что дальше? Можно двигаться в сторону совмещения открытых капиллярных систем с микрофлюидными устройствами. Так, собственно, и поступили растения. Устьица, открывая капилляры, управляют газообменом и транспирацией — взаимодействием жидкости с атмосферой, ускоряя или замедляя движение воды по капиллярам. А клетки проводящих тканей обеспечивают транспорт воды уже внутри растения. Совместная работа этих систем поддерживает жизнь дерева. С открытыми капиллярными каналами того же можно добиться и в искусственном дереве, не просто повторив форму дерева настоящего, а воспроизведя некоторые его функции (а при желании — расширив их). Можно собрать транспортную систему, через которую за счет испарительной тяги течет жидкость, — и получить сенсор, который улавливает газ из воздуха, а потом отправляет его уже по замкнутым микрофлюидным капиллярам для анализа и дальнейших операций. Или даже создать искусственный лес, чтобы вытянуть побольше влаги из земли в воздух. Изменения климата это, конечно, не остановит, но может принести кому-то временную прохладу.