Der synthetische Baum
Ein neues Mikrofluidik-System lässt sich von der Natur inspirieren, um Wasser ganz ohne Pumpen über weite Strecken zu bewegen.
- Corinna Wu
Ein Baum kann Wasser über erstaunliche Distanzen transportieren – von den Wurzeln durch einen Dutzende Meter hohen Stamm bis hinein in die Blätter, wo das Wasser dann verdunstet. Forscher an der Cornell University haben nun ein Mikrofluidik-System entwickelt, das diesen Prozess nachbildet. Der "synthetische Baum" bietet neuartige Methoden, Flüssigkeiten über weite Strecken zu bewegen, ohne dafür mechanische Pumpen zu benötigen.
Abraham Stroock, Dozent für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Hochschule, schuf das künstliche Pflanzeninnere zusammen mit dem Masterstudenten Tobias Wheeler aus dünnen Schichten eines Hydrogels, einem Material, das man vor allem aus der Kontaktlinsenfertigung kennt. Sie ätzten zwei Netzwerke paralleler Kanäle hinein, um die Kapillaren des Wurzelsystems eines Baums und seiner Blätter nachzubilden. Diese beiden Netzwerke wurden dann mit einem einzelnen Kanal verbunden, der den Stamm des Baumes repräsentierte.
In einem echten Baum zieht die Verdunstung des Wassers in den Blättern die Flüssigkeit durch die Pflanze nach oben – ein Prozess, der sich Transpiration nennt. Dieses Verdunsten geschieht, weil die Pflanze CO2 aufnehmen muss, um die Photosynthese durchzuführen. "Wenn sie ihre Zellen für diese CO2-Durchdringung öffnen, diffundiert das Wasser wesentlich stärker aus", sagt N. Michele Holbrook, Professorin für Biologie und Forstwissenschaften an der Harvard University. "All dieses Wasser, das den Baum hoch fließt, tut dies, weil der Baum CO2 benötigt. 99 Prozent dieses Wassers geht direkt durch den Baum hindurch."
Stroock und Wheeler stellten fest, dass ihr System den Transpirationsprozess akkurat nachbilden konnte. Das Wasser wurde sogar mit einer Stärke herausgezogen, die mehrere Male größer war, als in einem echten Baum, wie sie in einem Paper in "Nature" schreiben.
Hinzu kam, dass sich das Wasser in einem metastabilen Zustand befand, weil es unter negativem Druck stand, wie als ob es durch einen Strohhalm gezogen würde; es befand sich also zwischen Dampf und Flüssigkeit. Der synthetische Baum könnte deshalb auch als Modellsystem für die Untersuchung metastabiler Flüssigkeiten dienen. "Solche Flüssigkeiten sind, obwohl sie für die Wissenschaft fundamental wichtig sein können, noch eine Kuriosität, wenn man sie mit den Hauptkomponenten heutiger technologischer Anwendungen vergleicht", meint Pablo Debenedetti, Professor für Chemieingenieurwesen an der Princeton University. "Im Fall von Flüssigkeiten unter negativem Druck würden sie zum Kochen neigen und zu Dampf werden, um dem negativen Druck zu entgehen. Doch die Bäume haben einen Weg gefunden, Wasser in einem metastabilen Zustand sehr effizient zu handhaben, deshalb funktioniert ihr Innenleben auch so gut."
Die Wahl eines Hydrogels als Hauptmaterial war der wichtigste Aspekt für das System, sagt Stroock. Sein Team wusste, dass der poröse Feststoff die kapillare Wirkung von Pflanzen hatte, mit dem das Wasser durch Kanäle gezogen wird. Die passende Porengröße sorgte für negativen Druck. Sie durfte nicht größer als 10 Nanometer sein, da sie sonst das Wasser nicht mehr aufhalten könnte und die ganze Pflanze durch diese Poren austrocknen würde, wie Stroock erklärt. "Wichtig an dem Gel war, dass es ein poröser Feststoff ist, doch die Mischung von fester und flüssiger Phase muss auf molekularer Ebene erfolgen. Wir schaffen damit quasi Poren im Bereich von unter einem Nanometer", sagt er.
Strook stellt sich vor, dass der synthetische Baum zur passiven Weiterleitung von Flüssigkeiten ohne mechanische Pumpen verwendet werden könnte. Bei Wärme-Transfer-Anwendungen könnte die Technik kleine Geräte wie Laptops oder Fahrzeuge wie Autos kühlen, selbst für Häuser sei sie geeignet. Auch die Bodensanierung sei ein mögliches Nutzungsgebiet: Statt die Erde mit Wasser zu fluten, um eventuelle Schadstoffe auszuschwemmen, könnte ein synthetischer Baum das verseuchte Wasser auch herausziehen. "Die Studie ist zwar zunächst nur ein Konzeptbeweis, doch die kluge Wahl von Materialien und Mikromaschinerie zeigt bereits, dass sich Flüssigkeiten unter Druck auf eine stabile und nachvollziehbare Weise bewegen lassen", meint Debenedetti. (bsc)
