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L'arbre synthétique transporte de l'eau
Un arbre peut transporter de l'eau sur une distance incroyable, depuis ses racines, à travers un tronc jusqu'à 85 mètres de haut, et enfin jusqu'à ses feuilles, où l'eau s'évapore. Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université Cornell ont créé un système microfluidique pour imiter ce processus. Leur arbre synthétique ouvre une nouvelle façon de déplacer des liquides sur de longues distances sans utiliser de pompes mécaniques.
Ramification : Des canaux microscopiques gravés dans une fine feuille d'hydrogel imitent les capillaires du système racinaire et foliaire d'un arbre. Un autre canal représente le tronc de l'arbre.
Abraham Strock , professeur adjoint de génie chimique et biologique à Cornell, et l'étudiant diplômé Tobias Wheeler ont créé l'arbre synthétique à partir d'une fine feuille d'hydrogel, un matériau plus couramment utilisé pour fabriquer des lentilles de contact. Ils ont gravé deux réseaux de canaux parallèles dans l'hydrogel pour représenter les capillaires du système racinaire d'un arbre ainsi que ceux de ses feuilles. Ils ont connecté les deux réseaux avec un seul canal représentant le tronc de l'arbre.
Dans un vrai arbre, l'évaporation des feuilles est ce qui fait remonter l'eau à travers la plante, un processus connu sous le nom de transpiration. Cette évaporation se produit parce que les plantes ont besoin d'absorber du dioxyde de carbone pour effectuer la photosynthèse. Quand ils ouvrent leurs cellules pour toute cette diffusion de CO2, l'eau se diffuse beaucoup plus rapidement, dit N. Michele Holbrook , professeur de biologie et de foresterie à l'Université Harvard. Toute cette eau qui monte dans l'arbre est due au fait qu'elle essaie d'obtenir du CO2. Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de cette eau traverse l'arbre.
Stroock et Wheeler ont découvert que leur système imite avec précision ce processus de transpiration, tirant l'eau à des forces plusieurs fois supérieures à celles à l'intérieur d'un vrai arbre. Les découvertes des chercheurs sont parues la semaine dernière dans le journal La nature .
De plus, comme l'eau d'un arbre est sous pression négative, comme si elle était aspirée par une paille, l'eau est dans un état métastable, c'est-à-dire entre un liquide et une vapeur. L'arbre synthétique pourrait donc aussi servir de système modèle pour étudier les liquides dans cet état. Les liquides métastables, bien qu'ils soient importants dans les questions fondamentales de la science, ont tendance à être des curiosités, par opposition aux principaux composants des applications technologiques, explique Pablo Debenedetti, professeur de génie chimique à l'Université de Princeton. Dans le cas d'un liquide sous pression négative, il aurait tendance à bouillir et à devenir une vapeur pour soulager la pression négative. Mais les arbres ont réussi à gérer l'eau dans un état métastable très efficacement, c'est pourquoi ce travail est si agréable.
Le choix d'un hydrogel pour le matériau était essentiel pour faire fonctionner le système, dit Stroock. Son équipe savait qu'un solide poreux générait l'action capillaire chez les plantes pour tirer l'eau à travers les canaux, et qu'une taille de pores plus petite se traduisait par des pressions négatives plus importantes. De plus, l'équipe savait que la taille des pores ne peut pas dépasser 10 nanomètres, sinon ce pore ne pourra pas retenir le liquide et la plante entière se dessèchera à travers ce pore, dit Stroock. La caractéristique d'un gel qui est importante, c'est que c'est un solide poreux, mais le mélange de la phase solide et de la phase liquide est bas à l'échelle moléculaire. C'est comme avoir des pores à l'échelle subnanométrique.
Stroock envisage que le système d'arbre synthétique pourrait être utilisé pour déplacer des liquides de manière passive sans avoir besoin de pompes mécaniques. Dans les applications de transfert de chaleur, il peut refroidir de petits appareils, comme des ordinateurs portables, ou des appareils plus gros, comme des véhicules ou même des bâtiments. Cela pourrait également faire partie d'un système d'assainissement des sols, dit Stroock. Au lieu d'avoir à inonder le sol d'eau pour éliminer les contaminants, un arbre synthétique pourrait extraire l'eau contaminée.
Ce papier est plus une preuve de principe, mais grâce à une sélection judicieuse des matériaux et au micro-usinage, il montre que vous pouvez manipuler des liquides sous tension de manière stable et reproductible, explique Debenedetti.