[论文解读] Continuum mechanics at nanoscale. A tool to study trees' watering and recovery

Henri Gouin|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 77被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于非共轭压力的连续介质力学模型，用以解释高大树木中的筛管上升与导管复水机制，克服了经典内聚-张力理论的局限性。通过模拟木质部微管中的纳米尺度液膜，该模型表明非共轭压力可实现气穴化导管的复水，并预测树木最大高度约为140米，与红杉等实际高大物种的观测结果一致。

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.

研究动机与目标

• 解决内聚-张力理论中尚未解决的挑战，如气穴化木质部导管的复水与负压下的亚稳态水。
• 解释树木在极端负压下如何维持水分运输而不发生灾难性空化。
• 模拟纳米尺度液膜与非共轭压力在木质部微管中的作用，作为气穴化后恢复的机制。
• 调和木质部中水的物理行为与热力学原理及实验观测之间的关系。

提出的方法

• 该模型应用连续介质力学与物理化学德亚金学派的非共轭压力概念，描述木质部微管中液膜的行为。
• 采用表面密度泛函方法描述固液界面的分子间作用力，避免引入量子尺度的复杂性。
• 基于自由能G(h)与分子间相互作用，推导出非共轭压力Π(h)作为膜厚h的函数。
• 将薄层厚度（约1纳米）作为膜稳定性和压力平衡的关键纳米尺度极限。
• 比较紧密填充微管中液体与薄膜中液体的行为，表明宏观液体中的负压与薄膜中的正压可共存。
• 理论预测与20°C下木质部的实验数据一致，包括接触角θ ≈ 50°及高达12个大气压的压力梯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当液态主体仍处于负压时，气穴化木质部导管如何实现复水？
• RQ2 在负压条件下，树木如何实现超过100米高度的水分运输？
• RQ3 纳米尺度液膜与非共轭压力如何促进木质部导管的稳定与复水？
• RQ4 为何水在木质部中以亚稳态负压状态存在而不发生自发空化？
• RQ5 非共轭压力能否调和内聚-张力理论与热力学原理及实验观测之间的矛盾？

主要发现

• 纳米尺度液膜中的非共轭压力使气穴化木质部导管即使在主体液相仍处于负压时也能实现复水。
• 该模型预测树木最大高度约为140米，其中120米由非共轭压力贡献，20米由毛细与渗透压贡献。
• 在120米高度处，非共轭压力达到最大值12个大气压，对应稳定薄层厚度约1纳米。
• 木质部壁与水汽界面之间的杨氏接触角约50°，与实验数据一致，支持液膜稳定性。
• 该模型解释了木质部中负压水与热力学的相容性，解决了植物生理学中长期存在的悖论。
• 理论结果与巨树（如128米高的桉树与135米高的红杉）的实际高度观测一致，验证了该模型的物理极限。