Исследование раскрывает механизм биоинспирированного контроля потока жидкости

Чем больше мы узнаем о природе, тем больше мы понимаем, что природа — величайший инженер. Прошлые исследования считали, что жидкости могут транспортироваться в фиксированном направлении только в видах с определенными свойствами жидкостной коммуникации, и они не могут менять направление транспорта.

Недавно исследователи из Гонконгского политехнического университета (PolyU) продемонстрировали, что африканское растение управляет движением воды ранее неизвестным способом, и это может вдохновить на прорывы в ряде технологий в области динамики жидкостей и материалов, вдохновленных природой, включая приложения, требующие многоступенчатых и повторяющихся реакций, такие как микроанализы, медицинская диагностика и опреснение морской воды с помощью солнечной энергии и т. д.

Исследование было опубликовано в журнале Наука.

Транспортировка жидкости — невоспетое чудо природы. Например, высокие деревья должны ежедневно поднимать огромное количество воды от корней до самых высоких листьев, что они делают в полной тишине. Некоторые ящерицы и растения направляют воду через капилляры. В пустыне, где жизненно важно максимально использовать дефицитную влагу, некоторые жуки могут улавливать переносимую туманом воду и направлять ее вдоль своих спин, используя химический градиент.

Ученые долго пытались отточить способность человечества перемещать жидкости направленно. Такие разнообразные приложения, как микрофлюидика, сбор воды и передача тепла, зависят от эффективного направленного транспорта воды или других жидкостей в малых или больших масштабах.

Хотя вышеупомянутые виды и являются источником вдохновения, основанного на природе, они ограничены перемещением жидкостей в одном направлении. Исследовательская группа под руководством профессора Ван Лицю, профессора Благотворительного фонда Отто Пуна в области интеллектуальной и устойчивой энергетики, профессора кафедры тепло-жидкостной и энергетической инженерии кафедры машиностроения Политехнического университета, обнаружила, что суккулентное растение Crassula muscosa, произрастающее в Намибии и Южной Африке, может транспортировать жидкость в выбранных направлениях.

Вместе с коллегами из Университета Гонконга и Университета Шаньдуна исследователи Политехнического университета заметили, что при введении в два отдельных побега растения одних и тех же жидкостей жидкости перемещались в противоположных направлениях.

В одном случае жидкость перемещалась исключительно к кончику, тогда как другой побег направлял поток прямо к корню растения. Учитывая засушливые, но туманные условия, в которых живет C. muscosa, способность улавливать воду и транспортировать ее в выбранных направлениях является спасательным кругом для растения.

Поскольку побеги были расположены горизонтально, гравитацию можно исключить как причину избирательного направления транспорта. Вместо этого особые свойства растения обусловлены крошечными листьями, упакованными на его побегах.

Также известные как «плавники», они имеют уникальный профиль с загнутым назад телом (напоминающим плавник акулы), сужающимся к узкому концу, который указывает на верхушку растения. Асимметрия этой формы является секретом избирательного направленного транспорта жидкости C. muscosa. Все это связано с манипулированием мениском — изогнутой поверхностью поверх жидкости.

В частности, ключ кроется в тонких различиях между формами плавников на разных побегах. Когда ряды плавников резко изгибаются к кончику, жидкость на побеге также течет в этом направлении. Однако на побеге, плавники которого, хотя и направлены к кончику, имеют более восходящий профиль, направление движения вместо этого направлено к корню.

Направление потока зависит от углов между телом побега и двумя сторонами плавника, поскольку они контролируют силы, действующие на капли со стороны мениска, блокируя поток в одном направлении и направляя его в другом.

Вооружившись этим пониманием того, как растение направляет поток жидкости, команда создала искусственный имитатор. Названные CMIAs, что означает «массивы, вдохновленные C. muscosa», эти 3D-печатные плавники действуют как наклонные листья C. muscosa, контролируя ориентацию потока жидкости.

Хитроумно, в то время как плавники на естественном побеге растения неподвижны, использование магнитного материала для искусственных CMIA позволяет переориентировать их по желанию. Просто прикладывая магнитное поле, можно изменить направление потока жидкости через CMIA.

Это открывает возможность транспортировки жидкости по динамически изменяющимся траекториям в промышленных и лабораторных условиях. В качестве альтернативы поток может быть перенаправлен путем изменения расстояния между ребрами.

Многочисленные области технологий могут извлечь выгоду из CMIA. Профессор Ван сказал: «Существуют приложения для управления направлением потока жидкости в режиме реального времени в микрофлюидике, химическом синтезе и биомедицинской диагностике. Биологически имитирующая конструкция CMIA может также использоваться не только для транспортировки жидкостей, но и для их смешивания, например, в Т-образном клапане».

«Этот метод подходит для целого ряда химикатов и позволяет преодолеть проблему нагрева, присущую некоторым другим микрофлюидным технологиям».