Raíz, tronco y hojas del árbol sintético. Fuente: Universidad de Cornell.
Los árboles pueden transportar agua desde sus raíces, por todo el tronco, y hasta sus ramas y hojas más altas, en las que, finalmente, el agua se evapora. Este sorprendente proceso de tecnología punta natural ha sido emulado por científicos de la Universidad de Cornell, en Estados Unidos, que han conseguido crear, a partir de un sistema de microfluidos, el primer árbol sintético capaz de transportar agua.
Según publica la revista Technology Review, este árbol artificial supondría una nueva forma de trasladar líquidos a través de grandes distancias sin necesidad de usar bombas mecánicas.
Los creadores de este sistema, Abraham Stroock, profesor de ingeniería biológica y química en Cornell, y el estudiante Tobias Wheeler desarrollaron el modelo utilizando hidrogel, que es un material que se usa en la fabricación de lentes de contacto.
Este compuesto polimérico tiene la capacidad de retener cantidades sustanciales de agua. Su consistencia es suave y elástica, y sus propiedades son similares a las de los tejidos vivientes.
Imitación de la transpiración vegetal
Gracias a un tipo concreto de hidrogel, los científicos fabricaron un árbol que simula el proceso de transpiración y de acción capilar que permite a los árboles dirigir la humedad hacia arriba desde las raíces, y hasta las ramas más altas.
La evaporación de las hojas es lo que tira del agua hacia arriba a través de la planta, en el proceso conocido como transpiración. Esta evaporación ocurre porque las plantas necesitan tomar del aire el dióxido de carbono necesario para realizar la fotosíntesis.
Cuando las hojas abren sus células para la difusión del CO2, el agua sale hacia fuera mucho más rápido. La acción capilar, por su parte, es la elevación de los líquidos debida a la tensión superficial y a las fuerzas de cohesión y de adhesión.
Según explicaron los científicos en un artículo aparecido en Nature, el árbol sintético reproduciría, en definitiva, las principales características de transpiración en las plantas.
Según informa la Universidad de Cornell en un comunicado, esta reproducción demuestra que la teoría de que la transpiración en árboles y plantas es un proceso puramente físico, que no requiere energía biológica, podría ser cierta.
En qué consiste
El árbol sintético, que en realidad no tiene la apariencia de un árbol natural, consiste en dos círculos situados uno al lado del otro en el gel. Está asimismo diseñado con canales de microfluidos uniformemente divididos en espacios, para imitar el sistema vascular de los árboles.
En la naturaleza, los árboles aprovechan el agua gracias a unos tejidos tubulares denominados xilemas, que son como cuerdas que tiran de dicha agua desde el suelo y la distribuyen hacia las hojas. El agua en el xilema es manipulada con presión negativa, en lo que se llama un estado metastable (entre vapor y líquido).
El xilema es, por tanto, el tejido leñoso capaz de conducir líquidos en las plantas vasculares. Junto con otro tejido vascular, el floema, forma de hecho una red continua que se extiende a lo largo de todo el organismo de la planta. El sistema ideado por Stroock y Wheler emula dicho tejido.
Esta imitación, inicialmente, no era problemática ya que los capilares similares al xilema son relativamente fáciles de crear utilizando la microfabricación, explica la Universidad de Cornell. La dificultad radicó empero en la selección del material exacto para crear un sistema tan eficiente como el natural.
Según publica la revista Technology Review, este árbol artificial supondría una nueva forma de trasladar líquidos a través de grandes distancias sin necesidad de usar bombas mecánicas.
Los creadores de este sistema, Abraham Stroock, profesor de ingeniería biológica y química en Cornell, y el estudiante Tobias Wheeler desarrollaron el modelo utilizando hidrogel, que es un material que se usa en la fabricación de lentes de contacto.
Este compuesto polimérico tiene la capacidad de retener cantidades sustanciales de agua. Su consistencia es suave y elástica, y sus propiedades son similares a las de los tejidos vivientes.
Imitación de la transpiración vegetal
Gracias a un tipo concreto de hidrogel, los científicos fabricaron un árbol que simula el proceso de transpiración y de acción capilar que permite a los árboles dirigir la humedad hacia arriba desde las raíces, y hasta las ramas más altas.
La evaporación de las hojas es lo que tira del agua hacia arriba a través de la planta, en el proceso conocido como transpiración. Esta evaporación ocurre porque las plantas necesitan tomar del aire el dióxido de carbono necesario para realizar la fotosíntesis.
Cuando las hojas abren sus células para la difusión del CO2, el agua sale hacia fuera mucho más rápido. La acción capilar, por su parte, es la elevación de los líquidos debida a la tensión superficial y a las fuerzas de cohesión y de adhesión.
Según explicaron los científicos en un artículo aparecido en Nature, el árbol sintético reproduciría, en definitiva, las principales características de transpiración en las plantas.
Según informa la Universidad de Cornell en un comunicado, esta reproducción demuestra que la teoría de que la transpiración en árboles y plantas es un proceso puramente físico, que no requiere energía biológica, podría ser cierta.
En qué consiste
El árbol sintético, que en realidad no tiene la apariencia de un árbol natural, consiste en dos círculos situados uno al lado del otro en el gel. Está asimismo diseñado con canales de microfluidos uniformemente divididos en espacios, para imitar el sistema vascular de los árboles.
En la naturaleza, los árboles aprovechan el agua gracias a unos tejidos tubulares denominados xilemas, que son como cuerdas que tiran de dicha agua desde el suelo y la distribuyen hacia las hojas. El agua en el xilema es manipulada con presión negativa, en lo que se llama un estado metastable (entre vapor y líquido).
El xilema es, por tanto, el tejido leñoso capaz de conducir líquidos en las plantas vasculares. Junto con otro tejido vascular, el floema, forma de hecho una red continua que se extiende a lo largo de todo el organismo de la planta. El sistema ideado por Stroock y Wheler emula dicho tejido.
Esta imitación, inicialmente, no era problemática ya que los capilares similares al xilema son relativamente fáciles de crear utilizando la microfabricación, explica la Universidad de Cornell. La dificultad radicó empero en la selección del material exacto para crear un sistema tan eficiente como el natural.
Abraham Stroock, a la izquierda, y Tobias Wheeler, con una imagen del árbol sintético en la pantalla del ordenador. Fuente: Universidad de Cornell.
Tipo de material
En concreto, los científicos utilizaron un hidrogel de PHEMA (de polihidrixetilmetacrilato) para formar las membranas de la “planta”.
Este hidrogel tiene poros de escala nanométrica en los que se retiene el líquido, lo que provoca la acción capilar que genera la tensión en el agua.
Los investigadores sabían que cada uno de estos poros no podía medir más de 10 nanómetros -un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro- o, de lo contrario, no podrían retener el líquido y el sistema entero se secaría a través de cada poro.
Así, mimetizando los capilares del xilema en este hidrogel, los científicos pudieron crear presiones negativas de la magnitud de las observadas en los árboles, y de bombear agua a largas distancias, y a partir de fuentes parcialmente secas.
La fuerza con que el agua fue transportada fue varias veces mayor que la que se produce dentro de un árbol real.
Posibles aplicaciones
Según Stroock, el sistema del árbol artificial podría usarse para mover líquidos pasivamente, sin necesidad de bombas mecánicas. En aplicaciones de transferencia de calor, podría servir para enfriar pequeños dispositivos, como ordenadores portátiles, o dispositivos mayores, como vehículos o edificios.
Asimismo, se podría utilizar también para reparar suelos degradados. Así, en lugar de necesitar inundar estos suelos con agua para sacar de ellos los contaminantes, un árbol sintético podría sacar directamente de los suelos el agua contaminada.
Por último, podría servir para crear medios más efectivos de extracción de agua de suelos con escasa humedad.
En concreto, los científicos utilizaron un hidrogel de PHEMA (de polihidrixetilmetacrilato) para formar las membranas de la “planta”.
Este hidrogel tiene poros de escala nanométrica en los que se retiene el líquido, lo que provoca la acción capilar que genera la tensión en el agua.
Los investigadores sabían que cada uno de estos poros no podía medir más de 10 nanómetros -un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro- o, de lo contrario, no podrían retener el líquido y el sistema entero se secaría a través de cada poro.
Así, mimetizando los capilares del xilema en este hidrogel, los científicos pudieron crear presiones negativas de la magnitud de las observadas en los árboles, y de bombear agua a largas distancias, y a partir de fuentes parcialmente secas.
La fuerza con que el agua fue transportada fue varias veces mayor que la que se produce dentro de un árbol real.
Posibles aplicaciones
Según Stroock, el sistema del árbol artificial podría usarse para mover líquidos pasivamente, sin necesidad de bombas mecánicas. En aplicaciones de transferencia de calor, podría servir para enfriar pequeños dispositivos, como ordenadores portátiles, o dispositivos mayores, como vehículos o edificios.
Asimismo, se podría utilizar también para reparar suelos degradados. Así, en lugar de necesitar inundar estos suelos con agua para sacar de ellos los contaminantes, un árbol sintético podría sacar directamente de los suelos el agua contaminada.
Por último, podría servir para crear medios más efectivos de extracción de agua de suelos con escasa humedad.