[논문 리뷰] Continuum mechanics at nanoscale. A tool to study trees' watering and recovery

Henri Gouin|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 27.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 77인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고체수목에서 수액 상승과 관의 재채움을 설명하기 위해 이완압력을 기반으로 한 연속체역학 모델을 제안한다. 이는 전통적인 응집-압력 이론의 한계를 극복한다. 관류의 나노스케일 액체 박막을 모델링함으로써, 이완압력이 막힌 관의 재채움을 가능하게 하고, 최대 나무 높이 약 140미터를 예측한다. 이는 색초와 같은 관찰된 고소수목과 일치한다.

ABSTRACT

The cohesion-tension theory expounds the crude sap ascent thanks to the negative pressure generated by evaporation of water from leaves. Nevertheless, trees pose multiple challenges and seem to live in unphysical conditions: the negative pressure increases cavitation; it is possible to obtain a water equilibrium between connected parts where one is at a positive pressure and the other one is at negative pressure; no theory is able to satisfactorily account for the refilling of vessels after embolism events. A theoretical form of our paper in the Journal of Theoretical Biology is proposed together with new results: a continuum mechanics model of the disjoining pressure concept refers to the Derjaguin School of physical chemistry. A comparison between liquid behaviour both in tight-filled microtubes and in liquid thin-films is offered when the pressure is negative in liquid bulks and is positive in liquid thin-films and vapour bulks. In embolized xylem microtubes, when the air-vapour pocket pressure is greater than the air-vapour bulk pressure, a refilling flow occurs between the air-vapour domains to empty the air-vapour pockets although the liquid-bulk pressure remains negative. The model has a limit of validity taking the maximal size of trees into account. These results drop inkling that the disjoining pressure is an efficient tool to study biological liquids in contact with substrates at a nanoscale range.

연구 동기 및 목표

• 응집-압력 이론의 해결되지 않은 과제, 즉 막힌 관류의 재채움과 음압에서의 불안정한 물 상태를 다루기 위해.
• 극도의 음압에서 파손되지 않고도 수목이 물 운반을 유지할 수 있는 물리적 메커니즘을 설명하기 위해.
• 나노스케일 액체 박막과 이완압력이 관류 미세관에서 응고 후 회복에 기여하는 방식을 모델링하기 위해.
• 관류에서 물의 물리적 거동을 열역학 원리와 실험 관찰과 조화시키기 위해.

제안 방법

• 모델은 물리화학의 더자긴 학파에서 유래한 연속체역학과 이완압력 개념을 관류 미세관 내 액체 박막에 적용한다.
• 양자 스케일의 복잡성을 피하기 위해 액체-고체 인터페이스에서 분자 간 힘을 기술하기 위해 표면 밀도 기반 기능적 접근을 사용한다.
• 이완압력 Π(h)는 자유 에너지 G(h)와 분자 간 상호작용에 기반하여 필름 두께 h의 함수로 유도된다.
• 박막 안정성과 압력 균형에 있어 핵심적인 나노스케일 한계로 팬케이크 층 두께(~1 nm)를 포함한다.
• 밀도가 높은 미세관 내 액체 거동과 박막 내 액체 거동을 비교함으로써, 거대한 액체 내 음압이 박막 내 양압과 공존할 수 있음을 보여준다.
• 이론적 예측은 20°C에서의 관류 실험 데이터와 일치시키며, 접촉역수 θ ≈ 50° 및 최대 12 atm의 압력 기울기를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 거대체가 여전히 음압 상태에 있을 때, 막힌 관류의 재채움은 어떻게 이루어지는가?
• RQ2 음압이 존재하는 상황에서 100미터 이상의 높이를 넘는 수목에서 어떻게 물 운반이 이루어지는가?
• RQ3 나노스케일 액체 박막과 이완압력은 관류의 안정성과 재채움에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 왜 관류에서 물은 자발적인 기화 없이 음압 상태로 유지되는가?
• RQ5 이완압력은 응집-압력 이론을 열역학 원리와 실험 관찰과 조화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 나노스케일 액체 박막 내 이완압력은 액체 거대체의 압력이 여전히 음압일 때도 막힌 관류의 재채움을 가능하게 한다.
• 모델은 약 140미터의 최대 나무 높이를 예측하며, 이는 이완압력 기여 120미터와 모세관 및 삼투압 기여 20미터를 합산한 결과이다.
• 120미터 높이에서 이완압력은 최대 12 atmosphere에 도달하며, 이는 약 1 나노미터 두께의 안정한 팬케이크 층에 해당한다.
• 관류 벽과 수증기 인터페이스 사이의 영 양면 접촉각 약 50°는 실험 데이터와 일치하며, 박막 안정성에 기여한다.
• 이론은 관류에서 음압 상태의 물이 열역학과 호환됨을 설명하며, 식물생리학에서 오랫동안 남아있던 역설을 해결한다.
• 이론적 결과는 128미터 높이의 유칼립투스와 135미터 높이의 색초의 관측된 높이와 일치하여 모델의 물리적 한계를 검증한다.