Гигроскопичность

Явление притяжения и удержания молекул воды

Гигроскопичность — это явление притяжения и удержания молекул воды посредством абсорбции или адсорбции из окружающей среды , которая обычно находится при нормальной или комнатной температуре. Если молекулы воды оказываются взвешенными среди молекул вещества, адсорбирующие вещества могут физически изменяться, например, изменяться объем, точка кипения , вязкость или некоторые другие физические характеристики или свойства вещества. Например, мелкодисперсный гигроскопичный порошок, такой как соль, может со временем стать комковатым из-за сбора влаги из окружающей среды.

Расплывающиеся материалы достаточно гигроскопичны, чтобы растворяться в поглощаемой ими воде, образуя водный раствор .

Гигроскопия необходима для многих видов растений и животных для достижения гидратации, питания, воспроизводства и/или распространения семян . Биологическая эволюция создала гигроскопические решения для сбора воды, прочности на разрыв нитей, связывания и пассивного движения – естественные решения, которые рассматриваются в будущей биомиметике . ^{[1] [2]}

Этимология и произношение

Слово гигроскопия ( / h aɪ ˈ ɡ r ɒ s k ə p i / ) использует комбинированные формы hygro- ( для влажности или влажности) и -scopy . В отличие от любого другого слова с -scopy , оно больше не относится к режиму просмотра или получения изображений. Оно началось именно так, со слова hygroscope в 1790-х годах, относящегося к измерительным приборам для уровня влажности. Эти гигроскопы использовали материалы, такие как определенные волосы животных, которые заметно меняли форму и размер, когда становились влажными. Такие материалы тогда называли гигроскопичными, потому что они подходили для изготовления гигроскопа. В конце концов, слово hygroscope перестало использоваться для любого такого прибора в современном использовании , но слово hygroscopic (склонный удерживать влагу) продолжало существовать, и, таким образом, также hygroscopic (способность делать это). В настоящее время прибор для измерения влажности называется гигрометром ( hygro- + -meter ) .

История

Ранняя литература по гигроскопии появилась около 1880 года. ^[3] Исследования Виктора Жодина ( Annales Agronomiques , октябрь 1897 г.) были сосредоточены на биологических свойствах гигроскопичности. ^[4] Он отметил, что семена гороха, как живые, так и мертвые (без всхожести), одинаково реагируют на влажность воздуха, их вес увеличивается или уменьшается в зависимости от гигрометрических изменений.

Марселлен Бертло рассматривал гигроскопичность с физической стороны, как физико-химический процесс. Принцип обратимости Бертло, вкратце, заключающийся в том, что вода, высушенная из растительной ткани, может быть восстановлена ​​гигроскопически, был опубликован в «Исследованиях по высыханию растений и тканей растительного происхождения; условия d'équilibre et de reversibilité» ( Annales de Chimie et de Physique , апрель 1903 г.). ^[4]

Лео Эррера рассматривал гигроскопичность с точки зрения физика и химика. ^[4] В его мемуарах «Sur l'Hygroscopeité comme Cause de l'action физиологического действия на расстоянии» ( Recueil de l'Institut Botanique Léo Errera, Université de Bruxelles , tome VI., 1906) дано определение гигроскопии, которое остается актуальным и по сей день. . Гигроскопия «проявляется в самом широком смысле, как показано

1. при конденсации водяного пара воздуха на холодной поверхности стекла;
2. в капиллярности волос, шерсти, хлопка, древесной стружки и т. д.;
3. при впитывании желатином воды из воздуха;
4. в растворении поваренной соли;
5. при поглощении воды из воздуха концентрированной серной кислотой;
6. в поведении негашеной извести». ^[4]

Обзор

Аппарат для определения гигроскопичности удобрений, Лаборатория исследования фиксированного азота, ок. 1930 г.

Гигроскопичные вещества включают целлюлозные волокна (такие как хлопок и бумага), сахар , карамель , мед , глицерин , этанол , древесину , метанол , серную кислоту , многие химические удобрения, многие соли и широкий спектр других веществ. ^[5]

Если соединение растворяется в воде, то оно считается гидрофильным . ^[6]

Хлорид цинка и хлорид кальция , а также гидроксид калия и гидроксид натрия (и многие другие соли ) настолько гигроскопичны, что легко растворяются в воде, которую поглощают: это свойство называется расслаиванием. Гигроскопична не только серная кислота в концентрированной форме, но и ее растворы гигроскопичны вплоть до концентраций 10% об./об. или ниже. Гигроскопичный материал будет иметь тенденцию становиться влажным и слеживаться при воздействии влажного воздуха (например, соль внутри солонок во влажную погоду).

Из-за их сродства к атмосферной влаге , желательные гигроскопичные материалы могут потребовать хранения в герметичных контейнерах. Некоторые гигроскопичные материалы, например, морская соль и сульфаты, встречаются в атмосфере естественным образом и служат семенами облаков , ядрами конденсации облаков (CCN). Будучи гигроскопичными, их микроскопические частицы обеспечивают привлекательную поверхность для конденсации паров влаги и образования капель. Современные усилия человека по засеву облаков начались в 1946 году. ^[7]

Гигроскопичные материалы , добавляемые в пищевые продукты или другие материалы с целью поддержания содержания влаги , называются увлажнителями .

Материалы и соединения проявляют различные гигроскопические свойства, и это различие может привести к пагубным последствиям, таким как концентрация напряжений в композитных материалах . Объем конкретного материала или соединения зависит от влажности окружающей среды и может рассматриваться как его коэффициент гигроскопического расширения (CHE) (также называемый CME, или коэффициент расширения влаги) или коэффициент гигроскопического сжатия (CHC) — разница между двумя терминами заключается в различии правил знаков.

Различия в гигроскопичности можно наблюдать в ламинированных пластиком обложках книг в мягкой обложке — часто, во внезапно влажной среде, обложка книги будет загибаться от остальной части книги. Неламинированная сторона обложки впитывает больше влаги, чем ламинированная сторона, и увеличивается в площади, вызывая напряжение, которое загибает обложку в сторону ламинированной стороны. Это похоже на функцию биметаллической полоски термостата. Недорогие гигрометры циферблатного типа используют этот принцип с использованием спиральной полоски. Расслаивание — это процесс, при котором вещество поглощает влагу из атмосферы до тех пор, пока оно не растворится в поглощенной воде и не образует раствор. Расслаивание происходит, когда давление паров образующегося раствора меньше парциального давления водяного пара в воздухе.

Хотя здесь действуют некоторые похожие силы, это отличается от капиллярного притяжения — процесса, при котором стекло или другие твердые вещества притягивают воду, но не изменяются в процессе (например, молекулы воды не оказываются взвешенными между молекулами стекла).

Расплывание

Расплывание, как и гигроскопия, также характеризуется сильным сродством к воде и тенденцией поглощать влагу из атмосферы при воздействии на нее. Однако, в отличие от гигроскопии, расплывание подразумевает поглощение достаточного количества воды для образования водного раствора . Большинство расплывающихся материалов представляют собой соли , включая хлорид кальция , хлорид магния , хлорид цинка , хлорид железа , карналлит , карбонат калия , фосфат калия , цитрат аммония и железа , нитрат аммония , гидроксид калия и гидроксид натрия . Благодаря их очень высокому сродству к воде эти вещества часто используются в качестве осушителей , что также является применением концентрированных серной и фосфорной кислот . Некоторые расплывающиеся соединения используются в химической промышленности для удаления воды, образующейся в результате химических реакций (см. сушильную трубку ). ^[8]

Биология

Гигроскопичность проявляется как в растительном, так и в животном мире, причем последний получает пользу от гидратации и питания. Некоторые виды земноводных выделяют гигроскопичную слизь, которая собирает влагу из воздуха. Пауки-кругопряды выделяют гигроскопичные выделения, которые сохраняют липкость и силу сцепления их сетей. Один вид водных рептилий способен выходить за пределы водных ограничений на сушу благодаря своему гигроскопичному покрову .

Растения получают выгоду от гигроскопии через гидратацию ^[1] и воспроизводство, что продемонстрировано примерами конвергентной эволюции . ^[2] Гигроскопическое движение (движение, активируемое гигрометрически) является неотъемлемой частью оплодотворения, высвобождения семян/спор, рассеивания и прорастания. Фраза «гигроскопическое движение» возникла в 1904 году в « Vorlesungen Über Pflanzenphysiologie », переведенном в 1907 году как «Лекции по физиологии растений» ( Людвиг Йост и Р. Дж. Харви Гибсон , Оксфорд, 1907). ^[9] Когда движение становится более масштабным, затронутые ткани растений в разговорной речи называются гигроморфами. ^[10] Гигроморфия является распространенным механизмом рассеивания семян, поскольку движение мертвых тканей реагирует на изменение гигрометрии, ^[11] например, высвобождение спор из плодородных краев Onoclea sensibilis . Движение происходит, когда растительная ткань созревает, умирает и высыхает, стенки клеток высыхают, сжимаются; ^[12] а также когда влажность повторно увлажняет растительную ткань, стенки клеток увеличиваются, расширяются. ^[11] Направление результирующей силы зависит от архитектуры ткани и способно вызывать изгибающие, скручивающие или спиральные движения.

Примеры гигроскопической гидратации

• 
  Воздушное растение ( Тилландсия луковичная )
• 
  Водяная змея ( A. granulatus ) с гигроскопичной кожей, показанная вне воды.
• 
  Паук-кругопряд ( Larinioides cornutus ) с гигроскопичными покрытыми нитями захвата
• 
  Восковая обезьянья древесная лягушка ( Phyllomedusa sauvagii )

• Воздушные растения, вид Tillandsia , являются эпифитами , которые используют свои дегенерированные, непитательные корни для закрепления на камнях или других растениях. Гигроскопичные листья поглощают необходимую им влагу из влажности воздуха. Собранные молекулы воды транспортируются с поверхности листьев во внутреннюю сеть хранения посредством осмотического давления с емкостью, достаточной для потребностей роста растения. ^[1]
• У змеи-филин ( Acrochordus granulatus ), из семейства, известного как полностью водный, есть гигроскопичная кожа, которая служит резервуаром для воды, замедляя высыхание и позволяя ей выходить из воды. ^[13]
• Другим примером является липкий шелк, обнаруженный в паутинах, например, у паука-кругопряда ( Larinioides cornutus ). Этот паук, как правило, покрывает свои нити самодельным гидрогелем , совокупной смесью гликопротеинов, низкомолекулярных органических и неорганических соединений (LMMC) и воды. ^[14] LMMC гигроскопичны, поэтому клей обладает влагопоглощающими свойствами, используя влажность окружающей среды для сохранения мягкости и липкости шелка.
• Восковая древесная лягушка ( Phyllomedusa sauvagii ) и австралийская зеленая древесная лягушка ( Litoria caerulea ) получают выгоду от двух гигроскопически-активируемых процессов гидратации: транскутанное поглощение конденсата на их коже ^[15] и снижение потери воды при испарении ^[16] из-за барьера из конденсированной водной пленки, покрывающего их кожу. Объем конденсата увеличивается за счет гигроскопических выделений, которые они вытирают через свою зернистую кожу. ^[15]
• Некоторые жабы используют гигроскопичные выделения для уменьшения потери воды при испарении, примером может служить Anaxyrus sp. Ядовитые выделения из ее околоушной железы также содержат гигроскопичные гликозаминогликаны . Когда жаба вытирает эти защитное выделение на свое тело, ее кожа увлажняется влажностью окружающей среды, что считается средством поддержания водного баланса. ^[16]

  

  Семена клевера лугового ( Trifolium pratense ) рядом с десятицентовой монетой США для масштаба.

Сагуаро ( Carnegiea gigantea ) — плод, приносящий гигроскопичные, впитывающие влагу семена.

• Красный и белый клевер ( Trifolium pratense ) и ( Trifolium repens ), желтый кустовой люпин ( Lupinus arboreus ) и несколько членов семейства бобовых имеют гигроскопичный гилярный клапан (hilum) , который контролирует уровень влажности зародыша семени. ^[17] Сагуаро ( Carnegiea gigantea ), другой вид эвдикотовых , также имеет гигроскопичные семена, которые, как было показано, впитывают до 20% атмосферной влаги по весу. ^[18] Функционально гилярный клапан позволяет водяному пару входить или выходить, чтобы обеспечить жизнеспособность, при этом блокируя жидкую воду. Однако, если уровень влажности постепенно повышается до достаточно высокого уровня, гилярный клапан остается открытым, позволяя жидкой воде проходить для прорастания. ^[17] Физиологически внутренний и внешний эпидермисы имеют независимый контроль гилярного клапана. Внешний эпидермис имеет столбчатые клетки, кольцеобразно расположенные вокруг гилярного клапана. Эти контрпалисадные клетки, будучи гигроскопичными, реагируют на внешнюю влажность, набухая и закрывая гилярный клапан во время высокой влажности, предотвращая впитывание воды в семена. Обратимо они сморщиваются, открывая клапан во время низкой влажности, позволяя семенам вытеснять избыток влаги. Внутренний эпидермис, внутри непроницаемого покрова семени, имеет палисадные клетки эпидермиса, второй кольцеобразно расположенный гигроскопичный слой, настроенный на уровень влажности эмбриона. Между внутренними и внешними палисадными клетками существует натяжение влаги. Чтобы гилум закрылся, эта влажность должна превысить некоторый минимальный уровень (14–25% для этих видов). ^[19] В то время как гилярный клапан открыт (т. е. низкая внешняя влажность), если влажность внезапно увеличивается, натяжение влаги достигает этого защитного порога, и гилум закрывается, предотвращая попадание влаги (жидкой воды). Однако если внешняя влажность постепенно повышается, что подразумевает подходящие условия для роста, уровень натяжения влаги не сразу превышает пороговое значение, что позволяет сохранить рубчик открытым и обеспечить постепенное поступление влаги, необходимое для впитывания . ^[17]

Примеры размножения с помощью гигроскопичности

Типичными для гигроскопического движения являются растительные ткани с «плотно упакованными длинными (столбчатыми) параллельными толстостенными клетками, (которые) реагируют расширением в продольном направлении при воздействии влажности и сжатием при высыхании (Рейссат и др., 2009)». ^[10] Ориентация клеток, структура рисунка (кольцевая, плоская, двухслойная или трехслойная) и эффекты ориентации клеток противоположной поверхности контролируют гигроскопическую реакцию. Инкапсуляция семян, реагирующая на влагу, основана на клапанах, открывающихся при воздействии смачивания или высыхания; прерывистые структуры тканей обеспечивают такие предопределенные точки разрыва (швы), часто реализуемые посредством уменьшенной толщины клеточной стенки или швов в двух- или трехслойных структурах. ^[2] Градуированные распределения, различающиеся по плотности и/или ориентации клеток, фокусируют гигроскопическое движение, часто наблюдаемое как биологические приводы (функция шарнира); например, сосновые шишки ( Pinus spp. ), ледяная трава ( Aizoaceae spp. ) и ость пшеницы ( Triticum spp. ), ^[20] описанные ниже.

Ботаническая иллюстрация, Xerochrysum (Helichrysum) bracteatum ; № 1- Головка [прицветники, цветки, тычинки]

• Гигроскопичные двухслойные клеточные массивы действуют как шарнир головки у некоторых растений, примерами которых являются Xerochrysum bracteatum и Syngonanthus elegans . Гигроскопический изгиб прицветников обертки, окружающих головку, способствует защите цветка и опылению ^[21] и способствует распространению, защищая нежные нити сосочка от запутывания или разрушения осадками ^[22] , например, Taraxacum (одуванчики). В природе эти прицветники обертки имеют суточный ритм . Мутовка гигроскопичных прицветников изгибается наружу, обнажая головку (см. иллюстрацию) в течение дня, затем внутрь, закрывая ее ночью, поскольку относительная влажность воздуха меняется в ответ на суточные изменения температуры. Прицветники являются пленчатыми , шарнир и пластинка состоят исключительно из мертвых клеток (Nishikawa et al., 2008), что позволяет гигроскопически активированным прицветникам функционировать от цветения до распространения семянок. ^[21] Физиологически нижняя часть прицветника является источником функции, подобной шарниру, состоящей из абаксиальной (внутренней лепестковой) ткани, паренхимы и адаксиального эпидермиса (внешней лепестковой ткани). ^[21] Состав клеточной стенки прицветника довольно однороден, но его клетки постепенно меняют ориентацию. Гигроскопический изгиб прицветника обусловлен различной ориентацией клеток его внутреннего и внешнего эпидермиса, что вызывает градиенты адаксиально-абаксиальной силы между противоположными сторонами, которые изменяются в зависимости от влажности; таким образом, совокупная гигрометрическая сила в унисон завитка контролирует повторяющееся открытие и закрытие головки.
• Некоторые деревья и кустарники в пожароопасных регионах развили двухэтапное гигроскопическое рассеивание; первоначальное термочувствительное включение (экстремальная жара или огонь), затем позднее гигрореактивное высвобождение семян. Примерами являются древесные плоды миртовых (например, виды Eucalyptus plurimae, Melaleuca spp. ) и протейных (например, Hakea spp., Banksia spp., Xylomelum spp. ) и древесные шишки сосновых (например, Pinus spp. ) и семейства кипарисовых ( Cupressaceae ), например, гигантская секвойя ( Sequoiadendron giganteum )). ^{[2] [23]} Типичными для сосны скрученной ( Pinus contorta ), эвкалипта и банксии являются смоляные капсулы семян, для которых требуется тепло огня, чтобы физически расплавить смолу, что обеспечивает позднее высвобождение семян . ^[24] Такие инкапсуляции семян могут «уменьшить потерю семян или повреждение от зерноядных , высыхания и пожара (Moya et al., 2008; Talluto & Benkman, 2014; Lamont et al., 2016, 2020)». ^[2] Сходство двухэтапных методов распространения между различными кладами, покрытосеменными и голосеменными , можно интерпретировать как результат конвергентной эволюции (например, Clarke et al., 2013). ^[2]

  

  Конус Banksia Attenuata с открытыми фолликулами

  • Banksia attenuata , типичная для Banksia spp. , имеет семенной фолликул, состоящий из двухслойной гигроскопичной клеточной сети. Древесный фолликул термочувствителен, затем гигрореактивен; поздняя влажность открывает вентральный шов и обнажает семена, когда условия прорастания благоприятны. ^[23] Физиологически термочувствительные клапаны фолликула Banksia spp. запечатаны слоем воска (смолы), высвобождаемым при высоких температурах окружающей среды (огне), «тем самым облегчая открытие (например, Huss et al., 2018)». ^[2] Мезокарпий фолликула состоит из разветвленных пучков волокон высокой плотности; эндокарпий - из параллельных волокон низкой плотности. Шов вызван дифференциальными гигроскопическими движениями между слоями, их микрофибриллярные структуры имеют большую угловую диспаратность (угол микрофибрилл (MFA) γ = 75–90°). ^[2]
  • Чешуйки сосновых шишек ( pinaceae spp. ) используют гигроморфный шарнир для высвобождения семян. Физиология включает в себя двухслойную структуру плотно упакованных длинных параллельных толстостенных клеток. Выравнивание волокон внутри слоев неоднородно, варьируется в продольном направлении, создавая различные углы микрофибрилл (MFA) 30° и 74° между слоями по всему размаху чешуи. ^[23] Область наибольшего MFA, шарнирный сустав, представляет собой небольшую область около соединения чешуи и средней жилки (центрального стебля). ^[10] В зрелых сосновых шишках внешний слой чешуи является контролирующей тканью, его длинные толстостенные клетки реагируют в продольном направлении на влажность окружающей среды. Искажение происходит в области сустава, когда движение внешнего слоя обгоняет движение более пассивного внутреннего слоя чешуи, заставляя чешуйку сгибаться или изгибаться. Остальная часть чешуи гигроскопически пассивна, хотя усиливает смещение верхушки по длине и геометрически; ^[10] например, сгибание чешуи в закрытом состоянии при гидратации или ее сгибание в открытом состоянии при обезвоживании, высвобождающем семена.

    

    Головка и семянка Taraxacum officinale [семя-клювик-апикальная пластинка-хохолок]

• Цветковые растения семейства Asteraceae имеют гигроскопически-влияющую дисперсию, координирующую анемохорию (ветровое рассеивание) с благоприятными условиями окружающей среды, ^[25] распространенную в родах A. Erigeron , Leontodon , Senecio , Sonchus и Taraxacum . ^[26] Например, летающий хохолок семянки одуванчика обыкновенного претерпевает бинарную трансформацию (открывается или закрывается) своих усикообразных нитей в унисон с хоровыми ответами остальных семянок. Движение хохолка контролируется с помощью гигроскопического привода в апикальной пластинке, на вершине клюва, локусе для всех нитей семянки. Высокая влажность заставляет каждый хохолок закрываться, сокращая его радиально узорчатую структуру, уменьшая его площадь и вероятность рассеивания ветровым потоком. ^[25] Для любой освобождающейся семянки динамика полета редуцированного хохолка резко ограничивает диапазон рассеивания. ^[25] Реакция гигроскопического привода на изменения относительной влажности (ОВ) предсказуема и повторяема; например, сосочки Centaurea imperialis остаются закрытыми при ОВ ≥ 78% и полностью открываются при ОВ ≤ 75%. ^[22] В более благоприятных условиях с более низкой влажностью сосочки полностью раскрываются, и аллохория ветрового потока возобновляется.

  

  Семенные коробочки орхидейного дерева ( Bauhinia variegata )

• Орхидейное дерево ( Bauhinia variegata ) зависит от гигроскопичного скручивания для своего распространения. Его семенная коробочка содержит два слоя гигроскопичных волокон склеренхимы , почти ортогональных, соединяющихся в створках. Во время раскрытия большой угол микрофибрилл в 90° между слоями эндокарпия ^[23] в сочетании с двухсторонней усадкой приводит к противодействующим спиральным моментам ^[2], которые заставляют шов в самой слабой точке, створках семенной коробки; их открытие высвобождает семена. ^[21]

  

  Цветки Ruschia sp. ( Aizoaceae ) и многоярусные семенные коробочки

• Некоторые растения синхронизируют открытие своей зрелой семенной коробочки с активными осадками - гигрочасия. Этот метод распространения часто наблюдается в засушливых регионах южной и восточной Африки, израильской пустыне, частях Северной Америки и Сомали и, как полагают, эволюционировал для обеспечения более высоких показателей выживания в засушливых условиях. ^[27] Гигрочасия обычно ассоциируется с семейством Aizoaceae spp. , ледяным растением, поскольку > 98% его видов используют раскрытие после увлажнения ; такое распространение также наблюдается в семействе Plantaginaceae с альпийской вероникой из Новой Зеландии, эволюционировавшей за последние 9 млн лет. ^[27] Общим для всех семенных коробочек являются треугольные окружно расположенные гигроскопичные кили (клапаны), покрывающие ее семена. Эти защитные клапаны механически открываются только при гидратации жидкой водой. ^[28] Каждый киль (пять у Delosperma nakurense (англ.) Herre ) состоит из целлюлозной решетчатой ​​ткани, которая набухает при гидратации, открываясь в течение нескольких минут. Увеличенные клетки заставляют выпрямляться присущую иссушенную складку в киле, гигроскопический шарнир, около соединения киля с периметром капсулы. Полностью открытый, киль поворачивается более чем на 150°, ^[28] вверх, затем назад, обнажая семенные отсеки, по одному под каждой створкой, разделенные перегородками , все покоятся на дне капсулы. Семена видны, но сдерживаются чашеобразным кольцом, созданным окружающими килями. Последним требованием для рассеивания является дождь или достаточное количество влаги, чтобы смыть семена с этого барьера, в просторечии называемого брызговой чашей. ^[27] Семена, которые переливаются или разбрызгиваются из чаши, рассеиваются на близлежащей земле. Любые оставшиеся семена будут сохранены, когда кили высохнут, гигроскопически сожмутся и восстановятся в естественное сложенное, закрытое состояние. Гигроморфный процесс обратим, повторяем; заброшенные семена имеют возможность последующего распространения через будущие осадки.

  

  Семянки аистоклюва обыкновенного ( Erodium cicutarium ) с закрученными остями

  

  Семенные почки Hesperostipa comata (Игольница и нитка )

• Семена некоторых цветущих трав и злаков имеют гигроскопичные придатки (ости) , которые сгибаются при изменении влажности, что позволяет им рассеиваться по земле, что называется герпохория . Ость будет толкаться (или скручиваться), когда семя высвобождается, ее движение зависит от физиологии растения. Последующие гигрометрические изменения заставляют движения повторяться, толкая (или скручивая), вталкивая семя в землю. ^[20]

Два семейства покрытосеменных имеют схожие методы распространения, хотя метод реализации различается в пределах семейства: примерами семейства Geraniaceae являются аистник обыкновенный ( Erodium cicutarium ) и герани ( Pelargonium sp. ); семейство Poaceae , игольница ( Hesperostipa comata ) и пшеница ( Triticum spp. ). Все они полагаются на двухслойную параллельную волокнистую гигроскопическую клеточную физиологию для управления движением ости для распространения и самозахоронения семян. ^[2] Выравнивание целлюлозных фибрилл в контролирующей ости клеточной стенке определяет направление движения. Если выравнивание волокон наклонено, непараллельное жилкование, развивается спираль, и движение ости становится скручиванием (извиванием) вместо изгиба; ^[21] например, извивание происходит в остях Erodium , ^[2] и Hesperostipa . ^[29]

• Некоторые растения используют гигроскопические движения для баллохори (самораспространения), активные баллисты, принудительно выбрасывающие свои семена; например, виды герани, фиалки, лесного щавеля, гамамелиса, недотроги (Impatiens) и аканта. Сообщается, что разрыв семенной коробочки Bauhinia purpurea выбрасывает ее семена на расстояние до 15 метров. ^[30]

Инженерные свойства

Гигроскопические свойства различных материалов представлены в виде графика; относительная влажность по оси X и содержание влаги по оси Y.

Гигроскопичность — это общий термин, используемый для описания способности материала поглощать влагу из окружающей среды. ^[31] Не существует стандартного количественного определения гигроскопичности, поэтому обычно квалификация гигроскопичности и негигроскопичности определяется в каждом конкретном случае. Например, фармацевтические препараты, которые поглощают более 5% по массе при относительной влажности от 40 до 90% при температуре 25 °C, описываются как гигроскопичные, в то время как материалы, поглощающие менее 1% при тех же условиях, считаются негигроскопичными. ^[32]

Количество влаги, удерживаемой гигроскопичными материалами, обычно пропорционально относительной влажности. Таблицы, содержащие эту информацию, можно найти во многих инженерных справочниках, а также получить у поставщиков различных материалов и химикатов.

Гигроскопичность также играет важную роль в разработке пластиковых материалов. Некоторые пластики, например, нейлон , гигроскопичны, а другие — нет.

Полимеры

Многие конструкционные полимеры гигроскопичны, включая нейлон , АБС , поликарбонат , целлюлозу , карбоксиметилцеллюлозу и полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло , перспекс ).

Другие полимеры, такие как полиэтилен и полистирол , обычно не впитывают много влаги, но способны переносить значительное количество влаги на своей поверхности при воздействии жидкой воды. ^[33]

Нейлон типа 6 ( полиамид ) может впитывать до 9,5% влаги от своего веса. ^[34]

Применение в выпечке

Использование гигроскопических свойств различных веществ в выпечке часто используется для достижения различий во влажности и, следовательно, хрусткости. Различные виды сахара используются в разных количествах для производства хрустящего, рассыпчатого печенья (британский английский: biscuit) по сравнению с мягким, жевательным пирогом. Сахара, такие как мед , коричневый сахар и патока, являются примерами подсластителей, используемых для создания более влажных и жевательных пирогов. ^[35]

Исследовать

Было продемонстрировано несколько гигроскопических подходов к сбору атмосферной влаги, которые требуют дальнейшей разработки для оценки их потенциала в качестве жизнеспособного источника воды.

• Эксперименты с улавливанием тумана в выбранных средах дублировали гидрофильные поверхности и гигроскопическое поверхностное смачивание, наблюдаемое при гидратации древесных лягушек ( биомимикрия ). Последующая оптимизация материалов разработала искусственные гидрофильные поверхности со скоростью улавливания 25 мг H ₂ O/(см ² ч), что более чем в два раза превышает скорость улавливания древесных лягушек в сопоставимых условиях, т. е. 100% RH (относительная влажность). ^[16]
• Другой подход работает при более низких значениях относительной влажности 15–30%, но также имеет ограничения по окружающей среде; необходим источник устойчивой биомассы. Супергигроскопичные полимерные пленки, состоящие из биомассы и гигроскопичных солей, способны конденсировать влагу из атмосферной влажности. ^[16] Реализуя быструю кинетику сорбции-десорбции и работая 14–24 цикла в день, этот метод дал эквивалентный выход воды 5,8–13,3 л кг ⁻¹ устойчивого сырья, демонстрируя потенциал для недорогого масштабируемого сбора атмосферной воды. ^[36]

Гигроскопичные клеи являются кандидатами на коммерческую разработку. Наиболее распространенной причиной отказа синтетического клея при высокой влажности является смазывание водой контактной области, что влияет на качество склеивания. Гигроскопичные клеи могут обеспечить более прочные клеевые соединения, поглощая (вытягивая) межфазную влагу из окружающей среды от границы клей-подложка. ^[14]

Часто упоминается интеграция гигроскопического движения в интеллектуальные строительные конструкции и системы, например, самооткрывающиеся окна. ^[20] Такое движение привлекательно, адаптивный, самоформирующийся ответ, не требующий внешней силы или энергии. Однако возможности текущего выбора материалов ограничены. Были смоделированы и оценены биомиметические конструкции гигроморфных древесных композитов и гигроактивируемых строительных систем. ^[37]

• Не хватает времени гигрометрического отклика, точных изменений формы и долговечности. Большинство доступных в настоящее время гигроактивируемых композитов являются низкокачественными и демонстрируют усталостное разрушение задолго до того, как это наблюдается в природе, например, в чешуйках сосновых шишек, что указывает на необходимость лучшего понимания биологических структур растений. ^[37] Необходимы материалы, состоящие из активных двухслойных систем, реагирующих на жидкость, которые могут направлять запланированный конформационный гигроморфизм. ^[20]
• Современные композиты требуют нежелательных компромиссов между временем гигроморфного отклика и механической стабильностью, которые также должны быть сбалансированы с изменяющимися стимулами окружающей среды. ^[37]

Смотрите также

• Ядра конденсации облаков
• Критическая относительная влажность
• Выцветающий
• Равновесное содержание влаги
• Гидрофильный
• Гидрофобный

Ссылки

1. Ни, Фэн; Цю, Няньсян; Сяо, Пэн; Чжан, Чанг Вэй; Цзянь, Юкун; Лян, Юн; Се, Вэйпин; Ян, Люк; Чен, Тао (июль 2020 г.). «Гигроскопические фототермические органогели на основе тилландсии для эффективного сбора атмосферной воды». Angewandte Chemie, международное издание . 59 (43): 19237–19246. дои : 10.1002/anie.202007885. PMID  33448559. S2CID  225188835 . Проверено 26 января 2023 г.
2. Huss, Jessica C.; Gierlinger, Notburga (июнь 2021 г.). «Функциональная упаковка семян». New Phytologist: International Journal of Plant Science . 230 (6): 2154–2163. doi :10.1111/nph.17299. PMC 8252473. PMID 33629369  . 
3. Паркер, Филлип М., ред. (17 мая 2010 г.). Гигроскопичность: история временной шкалы Вебстера, 1880 - 2007 гг . ICON Group International, Inc.
4. Guppy, Henry B. (1912). Studies in Seeds and Fruits (PDF) . Лондон, Англия: Williams and Norgate. стр. 147–150 . Получено 5 февраля 2023 г.
5. "Гигроскопичные соединения". hygroscopiccycle.com . IBERGY. Архивировано из оригинала 8 апреля 2017 г. Получено 7 апреля 2017 г.
6. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «гидрофильный». doi :10.1351/goldbook.H02906
7. Пелли, Джанет (30 мая 2016 г.). «Действительно ли работает засев облаков?». Новости химии и машиностроения . 94 (22) . Получено 29 января 2023 г.
8. Уэллс, Микки; Вуд, Дэниел; Санфтлебен, Рональд; Шоу, Келли; Хоттови, Джефф; Вебер, Томас; Жоффруа, Жан-Мари; Алкир, Тодд; Эмптадж; Сарабия, Рафаэль (июнь 1997 г.). «Карбонат калия как осушитель в шипучих таблетках». Международный журнал фармацевтики . 152 (2): 227–235. doi :10.1016/S0378-5173(97)00093-8.
9. Йост, Людвиг; Гибсон, Р. Дж. Харви (1907). Лекции по физиологии растений. Оксфорд: Clarendon Press. С. 405–417 . Получено 22 февраля 2023 г.
10. Рейссат, Э.; Махадеван, Л. (1 июля 2009 г.). «Гигроморфы: от сосновых шишек до биомиметических бислоев». Журнал интерфейса Королевского общества . 6 (39). Издательство Королевского общества: 951–957. doi :10.1098/rsif.2009.0184. PMC 2838359. PMID  19570796 . 
11. Watkins, Jr, James E; Testo, Weston L (11 апреля 2022 г.). «Тщательное наблюдение за обычным папоротником бросает вызов устоявшимся представлениям о том, как двигаются растения. Комментарий к «Папоротниковые листья, которые движутся как сосновые шишки: движение плодородных листочков под воздействием влажности управляет временем распространения спор у широко распространенных видов папоротников». Annals of Botany . 129 (5): i–iii. doi :10.1093/aob/mcac017. PMC 9007092 . PMID  35211726 . Получено 23 февраля 2023 г. . 
12. Elbaum, Rivka; Abraham, Yael (июнь 2014 г.). «Взгляд на микроструктуры гигроскопического движения при распространении семян растений». Plant Science . 223 : 124–133. Bibcode :2014PlnSc.223..124E. doi :10.1016/j.plantsci.2014.03.014. PMID  24767122.
13. Команнс, Филипп; Уизерс, Филипп К.; Эссер, Фальк Дж.; Баумгартнер, Вернер (ноябрь 2016 г.). «Сбор воды через кожу ящерицей, собирающей влагу, колючим дьяволом (Moloch horridus)». Журнал экспериментальной биологии . 219 (21): 3473–3479. doi : 10.1242/jeb.148791 . PMID  27807218. S2CID  22725331.
14. Singla, Saranshu; Amarpuri, Gaurav; Dhopatkar, Nishad; Blackledge, Todd A.; Dhinojwala, Ali (22 мая 2018 г.). «Гигроскопичные соединения в клее паучьего агрегата удаляют межфазную воду для поддержания адгезии во влажных условиях». Nature Communications . 9 (1890 (2018)): 1890. Bibcode :2018NatCo...9.1890S. doi :10.1038/s41467-018-04263-z. PMC 5964112 . PMID  29789602. 
15. Comanns, Philipp (май 2018). «Пассивный сбор воды с помощью покровов: механизмы и их биомиметический потенциал». Журнал экспериментальной биологии . 221 (10): Таблица 1. doi : 10.1242/jeb.153130 . PMID  29789349. S2CID  46893569.
16. Команнс, Филипп (май 2018). «Пассивный сбор воды с помощью покровов: механизмы и их биомиметический потенциал». Журнал экспериментальной биологии . 221 (10). doi : 10.1242/jeb.153130 . PMID  29789349. S2CID  46893569.
17. AskNature Team (23 марта 2020 г.). «Клапан регулирует водопроницаемость: древовидный люпин». asknature.org . Институт биомимикрии . Получено 10 февраля 2023 г. .
18. Стинберг, Уоррен Ф.; Лоу, Чарльз Х. (1977). Экология сагуаро: II (PDF) . Серия научных монографий Службы национальных парков. стр. 69–73 . Получено 4 февраля 2023 г.
19. Hyde, EOC (апрель 1954 г.). «Функция рубчика у некоторых Papilionaceae в связи с созреванием семени и проницаемостью тесты». Annals of Botany . 18 (70). Oxford University Press: 241–256. doi :10.1093/oxfordjournals.aob.a083393. JSTOR  42907240. Получено 11 февраля 2023 г.
20. . "Трехмерные функциональные градиенты направляют скручивание стебля у воскрешающего растения Selaginella lepidophylla". Journal of the Royal Society Interface . 16 (159). doi :10.1098/rsif.2019.0454. PMC 6833318. PMID  31662070. 
21. Боровска-Викрент, Дорота; Рыпень, Александра; Дульский, Матеуш; Греловский, Михал; Врзалик, Роман; Квятковская, Дорота (июнь 2017 г.). «Градиент структурных особенностей приводит к гигроскопическим движениям дефектных прицветников, окружающих Helichrysum bracteatum capitulum». Анналы ботаники . 119 (8): 1365–1383. doi : 10.1093/aob/mcx015. ПМЦ 5604587 . ПМИД  28334385 . Проверено 12 февраля 2023 г. 
22. Sheldon, JC; Burrows, FM (май 1973). "Эффективность рассеивания семяночно-хохолковых единиц некоторых сложноцветных при устойчивом ветре с конвекцией". New Phytologist . 72 (3): 666. doi : 10.1111/j.1469-8137.1973.tb04415.x .
23. ^Хасс, Джессика К.; Гирлингер, Нотбурга (июнь 2021 г.). «Функциональная упаковка семян». New Phytologist: Международный журнал по науке о растениях . 230 (6): Таблица 1. doi : 10.1111/nph.17299. PMC 8252473. PMID  33629369. 
24. Petruzzello, Melissa (2023). «Игра с лесным пожаром: 5 удивительных адаптаций пирофитных растений». britannica.com . Encyclopædia Britannica, Inc . Получено 22 февраля 2023 г. .
25. Seale, Madeleine; Kiss, Annamaria; Bovio, Simone; Viola, Ignazio Maria; Mastropaolo, Enrico; Boudaoud, Arezki; Nakayama, Naomi (6 мая 2022 г.). «Изменение хохолка одуванчика происходит за счет радиально структурированного набухания материала». Nature Communications . 13 (2498 (2022)): 2498. Bibcode :2022NatCo..13.2498S. doi :10.1038/s41467-022-30245-3. hdl : 20.500.11820/b89b6b81-c97c-4145-a0a7-253119cd0c66 . PMC 9076835 . PMID  35523798. 
26. Истман, Джон (18 февраля 2015 г.). «Семена, которые сами себя сажают». indefenseofplants.com . Получено 1 марта 2023 г. .
27. Pufal, Gesine; Garnock-Jones, Phil (сентябрь 2010 г.). «Раскрытие гигрохастической капсулы поддерживает стратегии безопасного участка в новозеландской альпийской веронике (Plantaginaceae)». Annals of Botany . 106 (3): 405–412. doi :10.1093/aob/mcq136. PMC 2924830 . PMID  20587583. 
28. Harrington, Matthew J.; Razghandi, Khashayar; Ditsch, Friedrich; Guiducci, Lorenzo; Rueggeberg, Markus; Dunlop, John WC; Fratzl, Peter; Neinhuis, Christoph; Burgert, Ingo (7 июня 2011 г.). «Оригамиподобное разворачивание семенных капсул ледяных растений с гидроприводом». Nature Communications . 2 (337 (2011)): 337. Bibcode :2011NatCo...2..337H. doi : 10.1038/ncomms1336 . PMID  21654637.
29. Система информации о последствиях пожаров, Вид: Hesperostipa comata Архивировано 28.05.2017 в Wayback Machine Лесная служба Министерства сельского хозяйства США
30. "Seed-Plant-Reproductive-Part: Dispersal by water". www.britannica.com . Britannica. 2023. стр. Seed: Self-dispersal . Получено 5 марта 2023 г. .
31. Нейков, Олег Домианович (7 декабря 2018 г.). Справочник по порошкам цветных металлов: технологии и применение. Elsevier Science. ISBN 978-0-08-100543-9. OCLC  1077290174.
32. Джеймс Л. Форд, Ричард Уилсон, в Справочнике по термическому анализу и калориметрии, 1999, Раздел 2.13
33. Шварц, С., Гудман, С. (1982). Пластмассовые материалы и процессы , Van Nostrand Reinhold Company Inc. ISBN 0-442-22777-9 , стр.547 
34. "NYLON". sdplastics.com . San Diego Plastics, Inc. Архивировано из оригинала 13 мая 2017 г. Получено 7 апреля 2017 г.
35. Слоан, Т. О'Коннор. Факты, которые стоит знать, выбранные в основном из журнала Scientific American для домашнего хозяйства, мастерской и фермы, содержащие практическую и полезную информацию для каждой отрасли промышленности. Хартфорд: SS Scranton and Co. 1895.
36. Го, Юхун; Гуань, Вэйсинь; Лэй, Чусинь; Лу, Хэнъи; Ши, Вэнь; Ю, Гуйхуа (19 мая 2022 г.). «Масштабируемые супергигроскопичные полимерные пленки для устойчивого сбора влаги в засушливых условиях». Nature Communications . 13 ((1):2761): Аннотация. Bibcode :2022NatCo..13.2761G. doi :10.1038/s41467-022-30505-2. PMC 9120194 . PMID  35589809. 
37. Чжань, Тяньи; Ли, Руй; Лю, Чжитин; Пэн, Хуэй; Лю, Цзяньсюн (10 марта 2023 г.). «От адаптивных растительных материалов к гигроактивируемым деревянным строительным системам: обзор». Строительство и строительные материалы . 369 (130479): Аннотация. doi :10.1016/j.conbuildmat.2023.130479. S2CID  256593092 . Получено 18 марта 2023 г. .

Внешние ссылки

• Видео о растворении хлорида кальция
• Движение гигроскопичных органических солей