Vandets vej til træets top by robin

Ingeniøren · 1. sektion · 17. oktober 2008

POLY SCIENCE

Vand er den mest studerede substans i verden, men alligevel findes der en stor metastabil region i dets fasediagram, som endnu ikke er blevet kortlagt. Abraham D. Stroock

naturvidenskab Filosofi erkendelse

Vandets vej til træets top

meta science Af Robin Engelhardt Journalist på Ingeniøren roe@ing.dk

Det syntetiske træ Et træ kan anskues som et system for vandcirkulation i tre dele: rødder, en stamme og blade. For første gang har ingeniører lavet et syntetisk træ, der efterligner træets enestående evne til at løfte vand op i store højder, og fanget de fysiske principper bag processen. Det syntetiske træ består af en hydrogel og har to netværk af kapillærer – et som rodnet og et som blade – forbundet med en enkelt kanal, som udgør stammen. På grund af kapillærernes mikroskopiske størrelse (ca. ti nm) trækkes vandet passivt opad, kun ved hjælp af vandmolekylernes gensidige tiltrækning, som i et reb. Disse bittesmå nanovandrør har et negativt absolut tryk, som gør at vandet teoretisk set kan trækkes flere hundrede meter op imod tyngdekraften. Tv. ses en illustration af det syntetiske træ, som forskere har skabt i en størrelse på ca. 5 cm. Herunder et mikroskopfoto af de kapillære strukturer, der danner porer på kun ti nm.

Træer er smukke, træer er livsnødvendige og træer er højteknologi. Forskere har for første gang bygget et fungerende syntetisk system, der kan efterligne træers passive transport af vand fra rod til top. Det er en lille revolution med et utal af fremtidige anvendelsesmuligheder.

I overbuddets lys Første ... anden ... tredje ... solgt til den herre. Sådan

hører man på auktioner, og sandsynligheden er, at køber er glad, men også snydt. I økonomisk teori hedder det ’vinderens forbandelse’, altså risikoen for, at varen er blevet købt for dyrt i forhold til, hvad den egentlig er værd for køber. Utallige eksperimenter viser, at overbud sker i rigtig mange tilfælde. Det er et problem, som ikke kun gør sig gældende på auktioner og børser, men ifølge den græske statistiker John Ioannidis fra Tufts University også ved offentliggørelsen af artikler i de store tidsskrifter (kortlink.dk/5vks). I jagten på at komme i Science eller Nature kan det nemt ske, at det er de lidt for gode og lidt for sensationelle forskningsresultater, der løber med opmærksomheden – på bekostning af mere kedelige, men også mere korrekte resultater. Der er ikke tale om snyd. Det er et psykologisk problem.

ingeniørkunst Af Robin Engelhardt roe@ing.dk

Da ingeniører i begyndelsen af 1800-tallet byggede de første stationære dampmaskiner for at pumpe vand ud af minerne, kunne end ikke de kraftigste af dem løfte vandet mere end ni meter op igennem røret. Det viste sig at være teoretisk umuligt at komme højere, fordi vandsøjlen i virkeligheden ikke løftes af pumpens ‘sug’ – men af det atmosfæriske tryk, der skubber væsken op nedefra, når pumpen mindsker trykket i røret. Ved komplet vakuum i røret vil vandet maksimalt kunne stå 10,3 meter højt. Misundeligt kiggede ingeniørerne på træerne ved siden af minerne. Hvordan kunne træer så klare at løfte vand 40-60 meter – ja, helt op til over 100 meter, som tilfældet er med det store californiske nåletræ Sequoia? Faktisk har biologer og ingeniører i århundreder spurgt sig selv om, hvad det er for et trick, træer bruger til at transportere vandet fra deres rødder op til deres blade. Den fremherskende teori har været, at træer virker som en væge: Tab af vanddamp fra bladene reducerer vandtrykket i bladet i forhold til det atmosfæriske tryk, hvilket får det flydende vand i jorden til at blive suget passivt op i rødderne, bevæge sig op igennem stammen, og derved udligne trykforskellen til bladene og holde dem vandfyldte. Processen kaldes transpiration, men den forklarer ikke, hvordan en træstamme er anderledes end et almindeligt sugerør, og derfor heller ikke, hvorfor den er så meget bedre til at transportere vandet opad end de energikrævende pumper. I 1895 foreslog den irske plante biolog Henry Horatio Dixon sammen med ingeniøren John Joly, at

Og det er et resultat af selve strukturen i den måde, som man belønner på. Psykologer og neuroøkonomer har prøvet at forklare fænomenet med, at folk er bange for at tabe, eller at de bliver superglade, når de vinder over andre. I en ny artikel i fagbladet Science (pas på overbuddet!) viser Mauricio Delgardo fra University of Pittsburgh, at fænomenet kan skyldes en overiltning af striatum, altså et område i hjernen, som relaterer sig til dopaminproduktion og belønning. Men Delgardo viser også, at der er et stærkt socialt element i menneskers overbud: Når konkurrencen og angsten for at være en social taber er stor nok, mister mange forsøgspersoner jordforbindelsen på et eller andet tidspunkt, og kaster sig ud i vilde bud.

transporten opad må skyldes vandmolekylernes gensidige tiltrækning, der skaber en form for træk. De kaldte deres mekaniske forklaringsmodel for ’cohesion-tension theory’ (sammenhængs-spændtheds-teorien), som gik imod et stort antal biologer, der understøttede en mere vitalistisk teori om en form for aktiv transport. Men helt konkret har man ikke kunnet eftervise teorien før nu, 113 år efter den blev formuleret for første gang.

En af de anvendelser af det syntetiske træ, der nu venter på at blive udviklet, kan f.eks. være køling af bygninger (tv.): Vandet vil kunne trækkes passivt op igennem kapillærerne, hvorefter det fordamper i toppen under taget. Vanddampen fordeles i bygningen og kondenseres igen i bunden, og processen starter forfra.

Negativt absolut tryk

Det er de to kemiingeniører Tobias D. Wheeler og Abraham D. Stroock fra Cornell University i New York, der nu eksperimentelt har bekræftet og forfinet Dixons og Jolys oprindelige idé. Planters fundamentale trick består i at skabe en enorm trykforskel mellem atmosfæren og det indre i bladenes væv. Inde i vævet, i det såkaldte xylem, er der nanometersmå porer, som holder vandet i en tilstand af ‘negativt tryk’. Et begreb, der i klassisk forstand kan synes meningsløst. Der er jo ikke noget, der kan være mindre end ingenting i vakuum, altså ved et tryk på nul. Men vand er en meget speciel væske. Det kan sættes i en tilstand af negativt absolut tryk, på grund af dets høje overfladespænding. Idet de enkelte vandmolekyler tiltrækker hinanden, kan de sættes sådan sammen, at de trækker i hinanden som i et reb. Man kender til fænomenet overfladespændning i almindelige vanddråber, der tiltrækker hinanden. Idet vandmolekylerne søger indad i dråben – der, hvor tiltrækningen er størst – vil dråbens overfladeareal altid søge at være så lille som muligt, altså en kugle. Når to dråber derfor rører ved hinanden, vil de trække i hinanden indtil en ny og større, rund dråbe er dannet.

Grafik: Nanna Skytte og Troels Marstrand

Ifølge termodynamikken kan flydende vand ved negativt tryk kun eksistere i en metastabil tilstand. Vandet har med andre ord tendens til at skifte tilstand fra flydende form til gasform ved ganske små ændringer i enten tryk eller volumen. Hvis dette skete, ville der dannes luftembolismer inde i træet, som ville ødelægge vandtransporten. Men hvis man kan undgå dannelse af disse huller, kan der eksistere et tryk (som snarere burde kaldes et ‘træk’ eller en ‘spændthed’) på flere hundrede atmosfærer under nul. Minutiøs kontrol

For at lave et syntetisk træ, var det derfor vigtigt for forskerne at bruge et materiale, hvori vandets forskellige tilstande kan kontrolleres minuti-

øst. De fandt det i den hydrogel, der bruges til at lave bløde kontaktlinser af. Ud over at kunne fungere som en væge, består den af bittesmå porer, der gør, at de kapillære processer kan skabe den nødvendige spændthed i væsken. Det betød blandt andet, at porerne måtte have en diameter målt i nanometer. Hydrogelen gør netop det: Den blander vandet med gelens polymernetværk, sådan at porerne effektivt er af molekylær størrelse. Ikke mere end ti nm. Det viser sig, at vandet kan være i ligevægt med gelen ved en luftfugtighed på 85 procent og ved et tryk på -220 atmosfærer. Ved at grave små kapillærer ned i gelen, kunne Wheeler og Stroock derfor skabe en struktur på lidt over fem centimeter, der i sin funktion efterligner et træ: To

netværk af kapilærer, et til rødderne og et til bladene, forbundet med en enkelt kanal som ‘stamme’. Ved at eksperimentere med vandgennemstrømningen kunne de i en artikel i fagbladet Nature vise, at deres ‘syntetiske træ’ virker som en negativ trykpumpe, der kan generere op til ti atmosfærer i pumpe-potentiale – hvilket svarer til at trække vand mere end 100 meter op imod tyngdekraften. Til sammenligning er den tidligere rekord med nogle svampelignende strukturer 0,7 atmosfærer. Bekræfter gammel teori

De to ingeniørers eksperimentelle forsøg og dets resultater er et stærkt tegn på, at Dixons og Jolys oprindelige teori er korrekt. Vandet trækker

sig selv op i de lange smalle kapillærer, som et Münchhausen-reb, modsat tyngdekraften, i et evigt forsøg på at udjævne trykforskellen mellem rod og blade. Oppe ved membranen mellem bladet og luften er der en voldsom trykforskel, og når man punkterer et blad vil man også få vandet i de berørte kapillærer til at falde sammen med et plask, men da de er utallige, vil træet stadig kunne pumpe vand op, passivt og mekanisk. Bortset fra at bekræfte, at transpiration er en mekanisk, og ikke en biologisk, proces, viser eksperimentet også nye veje til at studere vand under spændthed – noget der er et meget underbelyst fænomen. »Vand er den mest studerede substans i verden, men alligevel findes der en stor metastabil region i dets fa-

sediagram, som endnu ikke er blevet kortlagt,« sagde Stroock i forbindelse med offentliggørelsen af artiklen. Der er stadig masser af åbne spørgsmål i dette område, og det syntetiske træ kunne være et godt værktøj til at undersøge dem. Teknologiske anvendelser

De teknologiske anvendelser venter nu på at blive udviklet. Træet viser, at der ikke findes nogen fundamental grænse for at gøre brug af væsker ved et stort negativt tryk. Det mest opsigtsvækkende resultat er, at det syntetiske træ konstant kan ekstrahere væske fra en beholder med undermættet vanddamp (dvs. fra luft med 95 procents luftfugtighed), hvilket betyder, at det vil være teknisk muligt at lave rent vand i om-

råder, der normalt anses for at være for tørre til landbrug, eller som er alt for forurenede til at levere drikkevand. De syntetiske træer ville også kunne bruges til at udvikle effektive passiv-systemer til overførslen af varme over lange afstande og mod tyngdekraften. For eksempel kunne ‘bladene’ i sådan et system trække en kølende væske op i en bygning, hvor den så kunne fordampe i solvarmen under taget. Vanddampen ville derefter fordele sig og kondenseres forneden, hvilket ville få temperaturen til at falde. Et sådant passivt kølingssystem, som kaldes ‘heat pipes’, bruges allerede på centimeterskala i bærbare computere, hvor varmedampe transporteres ud til ventilatoren. Principperne bag det syntetiske træ ville kunne bruges til at skalere teknologien op i husstørrelse. j

Måske har vi her fat i et væsentligt motiv for kollektive

fantasmer. Vores individuelle søgen efter et godt liv får os sjældent til at springe ud over en skrænt i håbet om at flyve. Men når konkurrencen om belønningen er stor nok, og den sociale anerkendelse afhængig deraf, kan det sagtens ske. Og det ser ud til, at den slags overbud sker i alle områder af intellektuel stræben, om det er forskningen, religionen eller almindelig, kapitalistisk spekulatiMåske har vi on. ‘Teorien Om Alt’, troen på ‘Paradis’ og ‘Uendelig Vækst’ er alle samher fat i et men kollektive fantasier fra overbudvæsentligt dets eventyrland. Og mere end det: De kan være virksomme målestokke motiv for for vores sociale adfærd. Fysikere kan kollektive jage vilde teorier, religiøse mennefantasmer. sker kan blive fundamentalister og almindelige kræmmere kan tage alt for store lån. De føler sig som vindere, og forbandelsen lægger de først mærke til alt for sent, hvis overhovedet. Også troen på Gud kan i øvrigt forklares i overbuddets

lys. Det blev gjort af den berømte matematiker og filosof Blaise Pascal (1623-62), der opfandt følgende gudsbevis: Enten tror man på, at der findes en straffende Gud, eller man gør ikke. Først: Hvis jeg tror, at Gud eksisterer, men han faktisk ikke eksisterer, har jeg ikke tabt det store. Hvis han til gengæld eksisterer, vil jeg have opnået uendelig lykke. Omvendt: Hvis jeg ikke tror på Gud, og han ikke eksisterer, har jeg ikke vundet det store. Men hvis han alligevel viser sig at eksistere, selvom jeg ikke troede på ham, så vil jeg leve i evig lidelse (husk, at Gud straffer dem, som ikke tror på ham!). Det ville altså være dumt af mig ikke at tro på Gud. Så,

med det argument i baghånden – hvorfor ikke tro på alt, hvad de siger på børsen, i fagbladene og i kirken? Der er (næsten) intet at tabe og alt at vinde. Første … anden ... tredje … solgt til den herre. j