Исследование раскрывает механизм био-вдохновленного управления потоком жидкости

Исследователи из Гонконгского политехнического университета (PolyU) обнаружили, что суккулентное растение Crassula muscosa из Намибии и Южной Африки может направленно транспортировать жидкость, причем в разных побегах — в противоположных направлениях. Это открытие может привести к прорывам в технологиях, связанных с динамикой жидкостей и био-вдохновленными материалами.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Направленный транспорт у растения

Ранее считалось, что организмы с особыми свойствами жидкостного транспорта могут перемещать жидкости только в одном фиксированном направлении. Однако команда под руководством профессора Ван Лицю из PolyU, совместно с коллегами из Университета Гонконга и Шаньдунского университета, показала, что C. muscosa нарушает это правило.

Наблюдения показали, что при нанесении одной и той же жидкости на два отдельных побега, она транспортировалась в противоположных направлениях: в одном случае — исключительно к верхушке побега, в другом — прямо к корню. Это критически важно для выживания растения в засушливых, но туманных условиях.

Механизм, основанный на асимметрии

Поскольку эксперименты проводились с горизонтально расположенными побегами, гравитацию можно исключить как причину избирательного направления транспорта. Секрет кроется в крошечных листьях-«плавниках», плотно упакованных на побегах.

Эти плавники имеют уникальную асимметричную форму, сужающуюся к концу, который указывает на верхушку растения. Ключевую роль играет манипуляция мениском — искривленной поверхностью жидкости.

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

• Если ряды плавников резко изогнуты к верхушке, жидкость течет в том же направлении.
• Если плавники, хотя и указывают на верхушку, имеют более вертикальный профиль, направление движения меняется на противоположное — к корню.

Искусственная имитация и применение

На основе этого понимания команда создала искусственную мимикрию — CMIAs («массивы, вдохновленные C. muscosa»). Эти напечатанные на 3D-принтере плавники действуют подобно наклонным листьям растения.

Важное преимущество искусственной системы: в то время как плавники натурального растения неподвижны, использование магнитного материала для CMIAs позволяет произвольно менять их ориентацию с помощью магнитного поля. Это дает возможность динамически менять путь потока жидкости или перенаправлять его, изменяя расстояние между плавниками.

Профессор Ван отметил: «Существуют применения для реального контроля направления потока жидкости в микрофлюидике, химическом синтезе и биомедицинской диагностике. Дизайн CMIAs, имитирующий биологию, можно использовать не только для транспортировки, но и для смешивания жидкостей».

Этот метод подходит для работы с рядом химических веществ и лишен проблемы нагрева, характерной для некоторых других микрофлюидных технологий.