De mangroveboom overleeft in zijn subtropische habitat door het zoute water van zijn omgeving efficiënt om te zetten in zoet water - een technische prestatie die wetenschappers al lang verbijsterd heeft.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers in het lab van Yale-ingenieursprofessor Menachem Elimelech heeft een waterzuiverend apparaat ontwikkeld dat de mangrove nabootst. Naast een beter begrip van de sanitaire systemen van planten, het zou kunnen leiden tot nieuwe ontziltingstechnologieën, zei zijn onderzoeksteam. De resultaten verschenen op 21 februari in wetenschappelijke vooruitgang .

"We laten het mechanisme zien dat is voorgesteld voor hoe mangroven werken, " zei co-auteur Jay Werber, een voormalig afgestudeerde student in chemische en milieutechniek in het laboratorium van Elimelech. "We zijn geen biologen, maar we komen hier vanuit een technisch perspectief."

Elimelech is Yale's Roberto C. Goizueta hoogleraar chemische en milieutechniek.

Het apparaat, die de onderzoekers een kunstmatige mangrove noemen, combineert de ontziltingseffecten van de mangrovewortel, het capillair pompen van de bladeren, en het watergeleidend vermogen van de stengel. De sleutel tot het succes is het vermogen om een ​​hoog niveau van negatieve druk te genereren, vergelijkbaar met wat je creëert als je door een rietje drinkt. In de synthetische mangrove, verdamping van speciaal ontworpen membranen - die als "bladeren" fungeren - creëert een grote negatieve druk, die de ontzilting van zout water door een semi-permeabel membraan "wortel" drijft.

Bomen hebben een negatieve druk nodig - die ontstaat wanneer water door de bladeren verdampt - om voldoende water op te nemen. mangroven, die te vinden zijn in Florida en die vooral overvloedig voorkomen in landen als Indonesië, Brazilië, en Maleisië, voer een dubbel indrukwekkende truc uit, onderzoekers zeiden:Ze moeten een grotere negatieve druk produceren dan de typische boom om het zoute water van hun omgeving op te drinken. Plus, ze ontzilten dit water met hun wortels, in een proces dat omgekeerde osmose wordt genoemd.

Bijzonder indrukwekkend, de onderzoekers merken op, is de manier waarop bomen de vorming van luchtbellen in hun systeem van waterbuizen minimaliseren, bekend als het xyleem. Water heeft de neiging bellen te vormen onder hoge negatieve druk, die de waterstroom in het xyleem van de plant zou verstoren.

Co-auteur Yunkun Wang, een postdoctoraal onderzoeker, zei dat het apparaat van de onderzoekers een vergelijkbare prestatie levert door de vorming van luchtzakken te minimaliseren, gedeeltelijk te wijten aan een poreuze silicastructuur die bekend staat als een frit die zich in het midden van het apparaat bevindt.

Naast het oplossen van een aantal al lang bestaande mysteries over boomhydraulica, Werber zei, het werk van de onderzoekers zou mogelijk kunnen leiden tot het creëren van kleinschalige apparaten voor het scheiden van oplossingen. "Typisch, je hebt een dure pomp die echt hoge druk creëert om die dingen te scheiden, " zei hij. "Met het mangrove-apparaat, je kunt de verdamping gebruiken om dat volledig passief te rijden."

De onderzoekers zeiden dat het apparaat vooral handig zou zijn in situaties waar elektriciteit niet direct beschikbaar is.

Het apparaat van de onderzoekers bootste niet alleen het natuurlijke proces na, het genereerde een veel grotere negatieve druk dan wat de mangroveboom genereert en zou water kunnen ontzilten met een zoutconcentratie die bijna tien keer zo hoog is als die van zeewater. Elimelech zei dat dit betekent dat het kan leiden tot manieren om zeer zout water te ontzilten. zoals het water geproduceerd door hydrofracking.

Meer onmiddellijk, Hoewel, hij zei dat het apparaat een venster biedt op een proces dat lang onduidelijk was.

"We waren gewoon nieuwsgierig naar hoe de natuur sommige dingen doet, en het is zo verbazingwekkend dat we het konden beschrijven met natuurkunde, Elimelech zei. "We hebben laten zien dat de boom fysieke principes volgt, en dat we ze kunnen nabootsen in een microfluïdisch apparaat."

Co-auteur Jongho Lee, een postdoctoraal onderzoeker, zei dat het apparaat ook het potentieel heeft om te worden gebruikt voor het verminderen van overstromingen door het op te nemen in "sponssteden" - dat wil zeggen, stedelijke gebieden die zijn ontworpen om regenwater op te nemen, op te vangen en snel te verwijderen. "Gebouwen zouden kunnen worden ontworpen om te werken als mangrovebomen:hun buitenmuren zouden werken als bladeren en de fundamenten zouden fungeren als wortels die verontreinigingen uitfilteren, " hij zei.