Mangroveträdet överlever i sitt subtropiska habitat genom att effektivt omvandla det salta vattnet i sin miljö till sötvatten - en ingenjörskonst som länge har förbryllat forskare.

Nu, ett team av forskare i Yales ingenjörsprofessor Menachem Elimelechs labb har utvecklat en vattenrenande anordning som efterliknar mangroven. Förutom att erbjuda en bättre förståelse för anläggningars VVS -system, det kan leda till ny avsaltningsteknik, sa hans forskargrupp. Resultaten dök upp 21 februari Vetenskapens framsteg .

"Vi visar mekanismen som har föreslagits för hur mangrover fungerar, " sa medförfattaren Jay Werber, en tidigare doktorand i kemi- och miljöteknik i Elimelechs lab. "Vi är inte biologer, men vi kommer på det här ur ett ingenjörsperspektiv."

Elimelech är Yales Roberto C. Goizueta professor i kemi- och miljöteknik.

Enheten, som forskarna kallar en konstgjord mangrove, kombinerar de avsaltande effekterna av mangrovens rot, kapillärpumpning av bladen, och stammens vattenledningsförmåga. Nyckeln till dess framgång är dess förmåga att generera en hög nivå av negativt tryck, liknande det du skapar när du dricker genom ett sugrör. I den syntetiska mangroven, avdunstning från specialdesignade membran – som fungerar som "blad" – skapar ett stort undertryck, som driver avsaltning av saltvatten genom en halvpermeabel membran "rot".

Träd behöver undertryck – genererat när vatten avdunstar genom löven – för att ta in tillräckligt med vatten. mangrove, som finns i Florida och är särskilt rikliga i länder som Indonesien, Brasilien, och Malaysia, utföra ett dubbelt imponerande trick, forskare sa:De måste producera större undertryck än det typiska trädet för att dricka upp saltvattnet i sin miljö. Plus, de avsaltar detta vatten med sina rötter, i en process som kallas omvänd osmos.

Särskilt imponerande, forskarna konstaterar, är hur träd minimerar bildandet av luftbubblor inuti deras system av vattenrör, känd som xylem. Vatten tenderar att bilda bubblor under höga negativa tryck, vilket skulle störa vattenflödet i växtens xylem.

Medförfattare Yunkun Wang, en postdoktor, sa att forskarnas enhet klarar en liknande bedrift genom att minimera bildandet av luftfickor, delvis på grund av en porös kiseldioxidstruktur känd som en fritta som är placerad i mitten av enheten.

Förutom att lösa några långvariga mysterier om trädhydraulik, Werber sa, forskarnas arbete skulle potentiellt kunna leda till skapandet av småskaliga anordningar för att separera lösningar. "Vanligtvis, du har en dyr pump som skapar riktigt högt tryck för att skilja dessa saker, " sa han. "Med mangroveanordningen, du kan använda avdunstningen för att driva det helt passivt."

Forskarna sa att enheten skulle vara särskilt användbar i situationer där elektricitet inte är lätt tillgänglig.

Inte bara efterliknade forskarnas enhet den naturliga processen, det genererade mycket större negativt tryck än vad mangroveträdet genererar och kunde avsalta vatten med en saltkoncentration som var nästan 10 gånger så stor som havsvatten. Elimelek sa att detta betyder att det kan leda till sätt att avsalta mycket salt vatten, såsom vattnet som produceras genom hydrofracking.

Mer omedelbart, fastän, han sa att enheten ger ett fönster in i en process som länge varit otydlig.

"Vi var bara nyfikna på hur naturen gör vissa saker, och det är så fantastiskt att vi kunde beskriva det med fysik, " sa Elimelek. "Vi visade att trädet följer fysiska principer, och att vi kan efterlikna dem i en mikrofluidisk enhet. "

Medförfattare Jongho Lee, en postdoktor, sa att enheten också har potential att användas för att minska översvämningar genom att införliva den i "svampstäder" - det vill säga, stadsområden utformade för att absorbera och fånga upp regnvatten och snabbt ta bort det. "Byggnader skulle kunna designas för att fungera som mangroveträd:Deras ytterväggar skulle fungera som löv och grunden skulle fungera som rötter som filtrerar bort föroreningar, " han sa.