Proč z listů květiny kape voda?

Experimentálně byla testována teorie superhydrofobního vodního skluzu.

Každý pravděpodobně alespoň jednou viděl kapky rosy na okvětních lístcích a listech rostlin a přemýšlel: proč se voda nešíří, ale „sedí“ jako kapka? To je způsobeno tím, že povrch listů a okvětních lístků je hydrofobní, to znamená, že odpuzuje vodu.

Na listech rostlin se voda tvoří díky hydrofobním vlastnostem voskové kutikuly, která pokrývá jejich povrch. (Foto: Staffan Enbom / Flickr.com.)

Některé běžné tkaniny mají také hydrofobní vlastnosti. (Photo grafvision / http://ru.depositphotos.com.)

Mikrokulička připojená k mikroskopické sondě atomární síly se pohybuje směrem k superhydrofobnímu povrchu. (Ilustrace: Taras Molotilin / Moskevská státní univerzita.)

Stupeň hydrofobnosti je určen kontaktním úhlem mezi povrchem a kapkou a při hodnotě větší než 150° je povrch považován za superhydrofobní. Takové povrchy se nacházejí v přírodě: například lotosový list nebo křídla některých druhů hmyzu. Super-hybrofobní vlastnosti chrání povrch před korozí, znečištěním, námrazou atd.

Moderní technologie umožňují udělat povrch superhydrofobní pomocí speciálního nátěru nebo povrchového reliéfu, ale musíme pochopit, jak se kapalina chová při kontaktu s ní. Tatyana Nizkaya, Olga Vinogradova a jejich kolegové z Moskevské státní univerzity vyvinuli semianalytickou teorii, která popisuje chování kapaliny v blízkosti superhydrofobního povrchu, a experimentálně ji testovali.

Povrchy obvykle „přitahují“ kapalinu díky elektrostatické přitažlivosti mezi molekulami, nazývané van der Waalsova síla. Závisí jak na chemickém složení a topografii povrchu, tak i na složení kapaliny a její viskozitě, díky čemuž se rychlost proudění kapaliny po povrchu může značně lišit od rychlosti proudění ve středu proudění.

V blízkosti superhydrofobních povrchů má proudění kapaliny neobvyklou vlastnost: jeho rychlost není nulová ani ve vrstvě přímo přiléhající ke stěně, to znamená, že kapalina není přitahována, ale klouže po povrchu. Tento jev se nazývá hydrodynamický skluz. Byl popsán asi před dvěma sty lety, ale od té doby o něj byl malý zájem, protože hydrodynamické klouzání v praxi neovlivňuje celkové proudění tekutiny.

Situace se výrazně změnila s příchodem superhydrofobních materiálů, které kombinují chemickou povrchovou hydrofobnost s vhodnou topografií, jako jsou tenké drážky nebo mikrokolony. Voda „klouže“ po vzduchových polštářích, které se tvoří v drážkách, prakticky bez odporu a nemůže se „lepit“ na stěny. To výrazně zvyšuje takzvanou klouzavou délku – hlavní charakteristiku „přilnutí“ vody k povrchu.

Nové teorie vyvinuté pro kapaliny v blízkosti superhydrofobních povrchů umožňují předpovídat nejen klouzání, ale i další formy neobvyklého chování v blízkosti anizotropních povrchů s reliéfem nasměrovaným určitým směrem. A zde se setkáváme s efekty, které jsou v praktickém smyslu docela zajímavé. Například u stěny pokryté podlouhlými drážkami, které směřují pod úhlem k hlavnímu proudu, se kapalina aktivně míchá, protože mění směr proudění. Dalším možným efektem je separace částic suspendovaných v kapalině podle velikosti.

K měření délky klouzání kapaliny po nestejnoměrném superhydrofobním povrchu použili fyzici mikroskop atomárních sil (o tom, jak to funguje, jsme již mluvili). Navíc byli schopni ověřit správnost teorie, která popisuje chování kapaliny v různých vzdálenostech od takového povrchu. V experimentu mikroskopická sonda spustila sférickou mikročástici na superhydrofobní povrch ponořený do kapaliny a rychlost ponoření zůstala konstantní. Zároveň bylo možné s vysokou přesností jak sledovat polohu mikrokuličky v drážce, tak měřit sílu působící na ni z kapaliny. Porovnání teoretického popisu a experimentální závislosti hydrodynamické síly na vzdálenosti k superhydrofobnímu povrchu umožnilo přesně změřit skluzovou délku.

Jejich výsledky se podle autorů stanou východiskem pro vývoj nových superhydrofobních systémů. Nyní, když se lze spolehnout na teorii, si fyzici mohou hrát s dříve navrženými teoretickými myšlenkami týkajícími se distribuce částic v superhydrofobních kanálech, elektroosmotických proudových systémech atd. Výsledky výzkumu jsou publikovány v časopise Soft Matter.

Autor: Anya Grushina

• VŠECHNO JE O VLHÁNÍ
• Nepenthes-jako
• Rašelina jako národní myšlenka
• Nanočištění vody a půdy
• MIKROSKOPIE ATOMOVÉ SÍLY
• Mikroskopie od „vidění“ po „dotyk“

„Rostliny pláčou“, tento výraz je již dlouho používán zahradníky a znamená uvolnění malého množství tekutiny ve formě kapek na listy a květy pokojových rostlin.
V biologii se tento jev nazývá guttace a je přirozeným procesem života rostlin. Kromě toho existuje další důležitý proces, transpirace.

Zvažte tyto jevy podrobněji.

Transpirace je proces pohybu vody rostlinou, její odpařování vnějšími orgány rostliny, jako jsou listy, stonky a květy. Voda je nezbytná pro život rostlin, ale pouze malá část vody dodávané kořeny se přímo využívá k růstu a metabolismu. Wikipedie.

K procesu transpirace dochází během dne, kdy je světlo, sucho a teplo. Za přítomnosti slunečního záření, vysoké teploty (20 C – 25 C), průduchů (pórů na listech rostliny) se otevírají a přes ně dochází k odpařování, voda vychází ve formě páry. Aby se kompenzoval jeho nedostatek, jsou horní části rostliny nuceny čerpat vlhkost ze sousedních tkání, listů, stonků, hladce klesají níž a níž a postupně dosahují ke kořenům rostliny.

V této době kořenový systém rostliny pod vlivem osmotického tlaku absorbuje vodu z půdy a transportuje ji vzhůru cévním systémem rostliny. To znamená, že během dne kořenový systém pracuje pod vlivem dvou sil, své vlastní (osmotický tlak) a síly přenášené z horní části rostliny.

Role transpirace v životě rostlin

• Ochrana proti přehřátí
• Podporuje fotosyntézu. Což se nejlépe provádí při teplotě 20-25 C (s výjimkou tropických rostlin), při vyšších teplotách dochází k destrukci chlorofylu, v důsledku čehož se proces fotosyntézy ztěžuje.
• Zajišťuje nepřetržitý pohyb vody a s ní živin (minerálních, organických sloučenin) v rostlinných buňkách, což přispívá k rychlému růstu a vývoji rostliny.
• Díky své obrovské síle napomáhá produktivnější práci kořenového systému rostliny a dodává výživu do nejsvrchnějších částí rostliny.

Faktory ovlivňující transpiraci:

• Intenzita osvětlení, čím je vyšší, čím vyšší je teplota listu, tím rychleji a ve větším počtu se průduchy otevírají, a proto je proces transpirace kvalitnější a kvalitnější.
• Vlhkost vzduchu, když je vzduch suchý, dochází k transpiraci mnohem rychleji.
• Vlhkost substrátu, čím je substrát sušší, tím méně vody se dostává do rostliny, proto je inhibován proces transpirace.
• Teplota okolí. Při 20-25 C jde proces rychle, s poklesem nebo zvýšením (destrukce chlorofylu) se zpomalí.

Guttace (z latiny gutta – „kapka“) je proces odstraňování vody ve formě kapiček kapaliny na povrchu rostliny pomocí hydatod. Nízké osvětlení a vysoká vlhkost podporují gutaci. Guttace je zcela běžná u mnoha rostlin tropického deštného pralesa. Wikipedie

Guttace nastává v noci nebo ráno. Při nepřítomnosti slunečního světla se průduchy na listech rostliny uzavřou, protože fotosyntéza není možná a zároveň se zastaví proces transpirace. Fyziologické procesy se však nezastaví, kořenový systém rostliny dále pracuje a nasává vlhkost, ale proces odpařování neprobíhá tak rychle a rostlina již tolik vláhy nevyžaduje. Rostlina je proto nucena odstraňovat svůj přebytek, umístěný v pletivech, s uzavřenými průduchy, přes hydatody.

Hydatody jsou vodní průduchy, zařízení pro rostlinu k uvolňování vlhkosti ve formě kapiček (gutací). Ve formě lesklých kapiček je tato kapalina pozorována ve vlhké atmosféře na listech mnoha rostlin a často je mylně považována za rosu. Wikipedie.

Na listech rostliny je spousta hydatod, nemají schopnost se zavřít, jsou vždy otevřené, díky čemuž se přes ně v noci uvolňuje přebytečná vlhkost. To znamená, že důvodem vzniku gutace je nadměrné vstřikování vlhkosti kořeny rostliny a neschopnost rostliny ji odpařit.

Role gutace v životě rostlin

• Udržování vodní rovnováhy rostlin.
• Odstranění přebytečných minerálních látek, zejména vápníku. Předávkování živinami může způsobit, že uvolněné soli způsobí popáleniny, zežloutnutí a vysušení špičky listu. Což nezpůsobí zjevnou škodu, ale zkazí estetický vzhled rostliny.

Faktory ovlivňující gutaci

• Snížení noční teploty.
• Zvýšená vlhkost vzduchu.
• Podmáčení půdy.
• Nedostatek draslíku.

Rostlina je komplexní, živý organismus, který funguje jako jeden celek, kde jsou všechny procesy propojeny a mají svůj vlastní účel. Čím lépe budeme studovat, rozumět a hlavně se naučíme získané znalosti používat a aplikovat, tím rychleji naše rostliny porostou, vyvinou se a potěší nás zdravým vzhledem a bohatým kvetením.