Гигроскопия

Феномен притяжения и удержания молекул воды

Гигроскопия — это явление притяжения и удержания молекул воды посредством поглощения или адсорбции из окружающей среды , которая обычно имеет нормальную или комнатную температуру. Если молекулы воды оказываются во взвешенном состоянии среди молекул вещества, адсорбирующие вещества могут физически измениться, например, измениться объем, температура кипения , вязкость или некоторые другие физические характеристики или свойства вещества. Например, мелкодисперсный гигроскопичный порошок, такой как соль, со временем может стать комковатым из-за сбора влаги из окружающей среды.

Расплывающиеся материалы настолько гигроскопичны, что поглощают столько воды, что становятся жидкими и образуют водный раствор .

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

Этимология и произношение

Слово гигроскопия ( / h aɪ ˈ ɡ r ɒ s k ə p i / ) использует сочетание форм гигроскопии и -скопии . В отличие от любого другого слова -scopy , оно больше не относится к режиму просмотра или визуализации. Все началось именно с этого, когда в 1790-х годах слово «гигроскоп» относилось к устройствам для измерения уровня влажности. В этих гигроскопах использовались такие материалы, как шерсть некоторых животных, которые заметно меняли форму и размер при намокании. Тогда такие материалы называли гигроскопичными , поскольку из них можно было сделать гигроскоп. В конце концов, слово « гигроскоп» перестало использоваться для обозначения любого такого инструмента в современном использовании , но слово « гигроскопический» (склонность удерживать влагу) сохранилось, а значит, и «гигроскопия» (способность делать это). В настоящее время прибор для измерения влажности называется гигрометром ( гигро- + -метр ).

История

Ранняя литература по гигроскопии появилась примерно в 1880 году. ^[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 реагировали на влажность воздуха, их вес увеличивался или уменьшался в зависимости от гигрометрических изменений.

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

Лео Эррера рассматривал гигроскопичность с точки зрения физика и химика. ^[4] Его мемуары «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) дали определение гигроскопии, которое остается актуальным и по сей день. . Гигроскопия «проявляется в самом широком смысле, как показано

1. в конденсации водяного пара воздуха на холодной поверхности стекла;
2. в капиллярности волос, шерсти, хлопка, древесной стружки и т. д.;
3. при впитывании воды из воздуха желатином;
4. при растоплении 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, гр. 1930 год

К гигроскопичным веществам относятся целлюлозные волокна (например, хлопок и бумага), сахар , карамель , мед , глицерин , этанол , древесина , метанол , серная кислота , многие химические удобрения, многие соли (например, хлорид кальция, основания, такие как гидроксид натрия и т. д.) и множество 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 множество различных солей ) настолько гигроскопичны, что легко растворяются в поглощаемой ими воде: это свойство называется расплыванием. Серная кислота гигроскопична не только в концентрированной форме, но и ее растворы гигроскопичны до концентрации 10% по объему или ниже. Гигроскопичный материал имеет тенденцию становиться влажным и твердым под воздействием влажного воздуха (например, соль внутри солонки во влажную погоду).

Из-за их близости к атмосферной влаге желательные гигроскопичные материалы могут потребовать хранения в герметичных контейнерах. Некоторые гигроскопичные материалы, например морская соль и сульфаты, естественным образом встречаются в атмосфере и служат зародышами облаков , ядрами конденсации облаков (CCN). Будучи гигроскопичными, их микроскопические частицы создают 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 влажности , называются увлажнителями .

Материалы и соединения обладают разными гигроскопическими свойствами, и это различие может привести к пагубным последствиям, таким как концентрация напряжений в композиционных материалах . На объем конкретного материала или соединения влияет влажность окружающей среды, и его можно считать коэффициентом гигроскопического расширения (CHE) (также называемым CME или коэффициентом расширения от влаги) или коэффициентом гигроскопического сжатия (CHC) - разницей между этими двумя терминами существует разница в условных обозначениях.

Различия в гигроскопичности можно наблюдать в обложках книг в мягкой обложке с пластиковой ламинацией — часто при резком повышении влажности обложка книги скручивается относительно остальной части книги. Неламинированная сторона обложки впитывает больше влаги, чем ламинированная, и увеличивается в площади, вызывая напряжение, которое скручивает обложку в сторону ламинированной стороны. Это похоже на функцию биметаллической пластины термостата . Недорогие гигрометры стрелочного типа используют этот принцип с использованием спиральной ленты. Расплывание – это процесс, при котором вещество поглощает влагу из атмосферы до тех пор, пока оно не растворится в поглощенной воде и не образует раствор. Расплывание происходит, когда давление паров образующегося раствора меньше парциального давления водяного пара в воздухе.

Хотя здесь действуют схожие 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 взвешиваются между молекулами стекла).

Расплывчатость

Расплывчатость, 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 предполагает поглощение достаточного количества воды для образования водного раствора . Большинство разжижающихся материалов представляют собой соли , в том числе хлорид кальция , хлорид магния , хлорид цинка , хлорид железа , карналлит , карбонат калия , фосфат калия , цитрат железа -аммония , нитрат аммония , гидроксид калия и гидроксид натрия . Благодаря очень высокому сродству к воде эти вещества часто используются в качестве осушителей , что также применяется для концентрированных серной и фосфорной кислот . Некоторые разжижающие соединения используются в химической промышленности для удаления воды, образующейся в результате химических реакций (см. сушильную трубку ). ^[8]

Биология

Гигроскопия проявляется как в растительном, так и в животном царстве, причем последнее приносит пользу за счет гидратации и питания. Некоторые виды земноводных выделяют гигроскопичную слизь, которая собирает влагу из воздуха. Пауки, строящие круговую паутину, производят гигроскопичные выделения, которые сохраняют липкость и силу сцепления их паутины. Один вид водных рептилий способен путешествовать за пределы водных ограничений на сушу благодаря своему гигроскопическому покрову .

Растения получают пользу от гигроскопии за счет гидратации ^[1] и размножения, что подтверждается примерами конвергентной эволюции . ^[2] Гигроскопическое движение (движение, активируемое гигрометрически) является неотъемлемой частью оплодотворения, высвобождения семян/спор, их распространения и прорастания. Фраза «гигроскопическое движение» возникла в книге « Vorlesungen Über Pflanzenpsyologie » 1904 года, переведенной в 1907 году как «Лекции по физиологии растений» ( Людвиг Йост и Р.Дж. Харви Гибсон , Оксфорд, 1907). ^[9] Когда движение становится более масштабным, пораженные ткани растения в просторечии называются гигроморфами. ^[10] Гигроморфия является распространенным механизмом распространения семян, поскольку движение мертвых тканей реагирует на гигрометрические изменения, ^[11] например, высвобождение спор из плодородных краев Onoclea sensibilis . Движение происходит при созревании, отмирании и высыхании растительных тканей, высыхании и сморщивании клеточных стенок; ^[12] , а также когда влажность повторно увлажняет растительные ткани, клеточные стенки увеличиваются и расширяются. ^[11] Направление результирующей силы зависит от строения ткани и способно вызывать изгибающие, скручивающие или скручивающие движения.

Примеры гигроскопической гидратации

• 
  Воздушное растение ( Тилландсия луковичная )
• 
  Водная файловая змея ( A. granulatus ) с гигроскопичной кожей, изображенная вне воды.
• 
  Паук-круготкач ( Larinioides cornutus ) с захватывающими нитями с гигроскопичным покрытием.
• 
  Восковая древесная лягушка ( Phyllomedusa sauvagii )

• Воздушные растения, вид Tillandsia , представляют собой эпифиты , которые используют свои выродившиеся, не питающиеся корнями, чтобы закрепиться на камнях или других растениях. Гигроскопичные листья впитывают необходимую влагу из влаги воздуха. Собранные молекулы воды транспортируются с поверхности листьев во внутреннюю сеть хранения посредством осмотического давления , мощность которого достаточна для растущих потребностей растения. ^[1]
• Файловая змея ( Acrochordus granulatus ) из семейства, известного как полностью водные, имеет гигроскопичную кожу, которая служит резервуаром для воды, замедляя высыхание, позволяя ей выходить из воды. ^[13]
• Другим примером является липкий улавливающий шелк, обнаруженный в паутине, например, у паука-кругопряда ( Larinioides cornutus ). Этот паук, как обычно, покрывает свои нити самодельным гидрогелем , смесью гликопротеинов, низкомолекулярных органических и неорганических соединений (LMMC) и воды. ^[14] LMMC гигроскопичны, как и клей, его влагопоглощающие свойства используют влажность окружающей среды, чтобы сохранить шелковистость мягкой и липкой.
• Восковая древесная лягушка ( Phyllomedusa sauvagii ) и австралийская зеленая древесная лягушка ( Litoria caerulea ) извлекают выгоду из двух гигроскопических процессов гидратации; чрескожное поглощение конденсата на коже ^[15] и снижение потерь воды при испарении ^[16] благодаря барьеру из пленки конденсированной воды, покрывающему кожу. Объем конденсации увеличивается за счет гигроскопичных выделений, которые они вытирают своей зернистой кожей. ^[15]
• Некоторые жабы используют гигроскопические выделения для уменьшения потерь воды при испарении, Anaxyrus sp. быть примером. В ядовитый секрет околоушной железы входят также гигроскопичные гликозаминогликаны . Когда жаба вытирает этот защитный секрет со своего тела, ее кожа становится увлажненной за счет влажности окружающей среды, что считается средством поддержания водного баланса. ^[16]

  

  Семена Trifolium pratense (красный клевер) рядом с десятью центами США для масштаба.

Сагуаро ( Carnegiea gigantea ) плоды, гигроскопичные, впитывающие влагу семена.

• Клевер красный и белый ( Trifolium pratense ) и ( Trifolium repens ), люпин кустовой желтый ( Lupinus arboreus ) и некоторые представители семейства бобовых имеют гигроскопичный клапан ворота ( hilum ) , который контролирует уровень влажности зародыша семян. ^[17] Сагуаро ( Carnegiea gigantea ), еще один вид эвдикотов , также имеет гигроскопичные семена , которые, как показано, впитывают до 20% атмосферной влаги по весу. ^[18] Функционально внутригрудной клапан позволяет водяному пару входить или выходить для обеспечения жизнеспособности, блокируя при этом жидкую воду. Однако если уровень влажности постепенно поднимается до достаточно высокого уровня, внутригрудной клапан остается открытым, обеспечивая проход жидкой воды для прорастания. ^[17] Физиологически внутренний и внешний эпидермиды имеют независимый контроль внутригрудного клапана. Наружный эпидермис имеет столбчатые клетки, кольцеобразно расположенные вокруг ворот. Эти контрпалисадные клетки, будучи гигроскопичными, реагируют на внешнюю влажность, набухая и закрывая прикорневой клапан во время высокой влажности, предотвращая поглощение воды семенами. Обратимо они сморщиваются, открывая клапан при низкой влажности, позволяя семени вытеснить лишнюю влагу. Внутренний эпидермис внутри непроницаемого покрова семени имеет палисадные клетки эпидермиса, второй кольцеобразно расположенный гигроскопичный слой, настроенный на уровень влажности зародыша. Между внутренними и внешними ячейками палисада существует напряжение влаги. Чтобы ворота закрылись, эта влажность должна превысить некоторый минимальный уровень (14–25% для этих видов). ^[19] Пока клапан ворот открыт (т. е. при низкой внешней влажности), если влажность внезапно увеличивается, напряжение влаги достигает защитного порога, и ворота закрываются, предотвращая проникновение влаги (жидкой воды). Однако если внешняя влажность повышается постепенно, что предполагает подходящие условия для выращивания, уровень напряжения влаги не сразу превышает пороговое значение, сохраняя ворота открытыми и обеспечивая постепенное поступление влаги, необходимой для впитывания . ^[17]

Примеры размножения с помощью гигроскопии

Типичными для гигроскопического движения являются растительные ткани с «плотно расположенными длинными (столбчатыми) параллельными толстостенными клетками, которые реагируют расширением в продольном направлении при воздействии влаги и сжатием при высыхании (Reyssat et al., 2009)». ^[10] Ориентация клеток, структура рисунка (кольцевая, плоская, двухслойная или трехслойная) и эффекты ориентации клеток противоположной поверхности контролируют гигроскопическую реакцию. Капсулы для семян, чувствительные к влаге, основаны на открытии клапанов при воздействии намокания или высыхания; прерывистые тканевые структуры обеспечивают такие заранее определенные точки разрыва (швы), часто реализуемые за счет уменьшения толщины клеточной стенки или швов внутри двух- или трехслойных структур. ^[2] Градуированные распределения, различающиеся по плотности и/или ориентации клеток, фокусируют гигроскопическое движение, часто наблюдаемое как биологические актюаторы (шарнирная функция); например, сосновые шишки ( Pinus spp. ), ледяное растение ( Aizoaceae spp. ) и пшеничная ость ( 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 оберточных прицветников, окружающих головку, способствует защите цветка и опылению ^[21] и способствует рассеиванию, защищая нежные нити сосочка от спутывания или разрушения осадками, ^[22] например , Taraxacum (одуванчики). В природе эти оберточные прицветники имеют суточный ритм . Оборот гигроскопических прицветников изгибается наружу, обнажая головку (см. иллюстрацию) в течение дня, затем внутрь, закрывая ее на ночь, поскольку относительная влажность меняется в ответ на суточное изменение температуры. Прицветники небезопасны , шарнир и пластинка состоят исключительно из мертвых клеток (Nishikawa et al., 2008), что позволяет гигроскопически активированным прицветникам функционировать от цветения до распространения семянки. ^[21] Физиологически нижний отдел прицветника является источником шарнирной функции и состоит из склеренхимоподобной абаксиальной (внутренней лепестковой) ткани, паренхимы и адаксиального эпидермиса (наружной лепестковой ткани). ^[21] Состав клеточной стенки прицветника довольно однороден, но ее клетки постепенно меняют ориентацию. Гигроскопический изгиб прицветника происходит из-за разной ориентации клеток его внутреннего и внешнего эпидермида, вызывая адаксиально-абаксиальные градиенты сил между противоположными сторонами, которые изменяются с влажностью; таким образом, совокупная гигрометрическая сила в унисон контролирует повторяющееся открытие и закрытие головки.
• У некоторых деревьев и кустарников в пожароопасных регионах наблюдалось двухэтапное гигроскопическое распространение; первоначальное термочувствительное включение (сильная жара или огонь), затем серотиновое гигрореактивное высвобождение семян. Примерами являются древесные плоды миртовых (например , виды Eucalyptus plurimae, виды Melaleuca ) и протейных (например, виды Hakea , виды Banksia , виды Xylomelum ), а также древесные шишки сосновых ( например, виды Pinus ) и семейства кипарисовых (например, виды Pinus ). Cupressaceae ), например, секвойя гигантская ( Sequoiadendron giganteum ). ^{[2] [23]} Типичными для сосны обыкновенной ( Pinus contorta ), эвкалипта и банксии являются запечатанные смолой капсулы семян, которым требуется тепло огня, чтобы физически расплавить смолу, что обеспечивает высвобождение серотиновых семян . ^[24] Такая инкапсуляция семян может «уменьшить потерю или повреждение семян от зерноядных животных , высыхания и пожара (Moya et al., 2008; Talluto & Benkman, 2014; Lamont et al., 2016, 2020)». ^[2] Сходство методов двухэтапного расселения 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 , типичный для Banksia spp. , имеет семенной фолликул , состоящий из двухслойной гигроскопичной клеточной сети. Древесный фолликул термочувствителен, затем гигрореактивен; серотиновая влажность открывает вентральный шов и обнажает семена при благоприятных условиях прорастания. ^[23] Физиологически термочувствительные клапаны фолликулов Banksia spp. герметизированы слоем воска (смолы), выделяющегося под воздействием высоких температур окружающей среды (огня), «тем самым облегчая открытие (например, Huss et al., 2018)». ^[2] Мезокарпий фолликула состоит из пучков разветвленных волокон высокой плотности; эндокарпий, параллельные волокна низкой плотности. Шов возникает в результате дифференциальных гигроскопических движений между слоями, причем их микрофибрильные структуры имеют большую угловую разницу (угол микрофибрилл (УМФ) γ = 75–90°). ^[2]
  • Чешуи сосновых шишек ( Pinaceae spp. ) используют гигроморфный шарнир для высвобождения семян. Физиология предполагает двухслойную структуру плотно упакованных длинных параллельных толстостенных клеток. Расположение волокон внутри слоев неравномерно, варьируется в продольном направлении, создавая разные углы микрофибрилл (MFA) от 30 ° до 74 ° между слоями по всему диапазону шкалы. ^[23] Область наибольшего MFA, шарнирный сустав, представляет собой небольшую область вблизи соединения чешуи и средней жилки (центрального стебля). ^[10] В зрелых сосновых шишках внешний чешуйчатый слой является контролирующей тканью, его длинные толстостенные клетки продольно реагируют на влажность окружающей среды. Искажение происходит в области сустава, когда движение внешнего слоя опережает движение более пассивного внутреннего слоя чешуи, заставляя чешую сгибаться или изгибаться. Остальная часть чешуи гигроскопически пассивна, хотя усиливает смещение вершины по длине и геометрически; ^[10] например, закрытие чешуи при гидратации или раскрытие ее при помощи семян, высвобождающих обезвоживание.

    

    Taraxacum officinale capitulum и семянка [семяклюв-верхушечная пластинка-хохолок]

• Цветковые растения семейства Asteraceae обладают гигроскопически-зависимой дисперсией, координирующей анемохию (распространение ветром) с благоприятными условиями окружающей среды, ^[25] распространенную у A. родов Erigeron , Leontodon , Senecio , Sonchus и Taraxacum . ^[26] Например, хохолок обыкновенной семянки одуванчика , позволяющий летать , претерпевает бинарную морфологию (открывается или закрывается) его усатообразных нитей в унисон с хоровыми реакциями остальных семянок. Движение хоботка контролируется с помощью гигроскопического привода в апикальной пластинке, на вершине клюва, месте расположения всех нитей семянки. Высокая влажность заставляет каждый хохолок закрываться, сжимая его радиальную структуру, уменьшая его площадь и вероятность рассеивания ветровых потоков. ^[25] Для любой семянки, которая высвобождается, динамика полета уменьшенного хохолка резко ограничивает диапазон распространения. ^[25] Реакция гигроскопического привода на изменения относительной влажности (RH) предсказуема и повторяема; например, сосочки Centaurea Imperialis остаются закрытыми при относительной влажности ≥ 78% и полностью открываются при относительной влажности ≤ 75%. ^[22] В более благоприятных условиях с более низкой влажностью сосочки полностью расширяются, и аллохия ветровых потоков снова включается.

  

  Семенные стручки дерева орхидеи ( Bauhinia variegata )

• Распространение орхидейного дерева ( Bauhinia variegata ) зависит от влагочувствительного скручивания. Его семенная коробочка содержит два слоя гигроскопичных волокон склеренхимы , почти ортогональных, соединяющихся в створках. Во время расхождения большой угол микрофибрилл 90° между слоями эндокарпа ^[23] в сочетании с двусторонним сжатием приводит к возникновению противоположных спиральных моментов ^[2] , которые заставляют шов накладываться в самом слабом месте - створках семенной коробочки; их открытие высвобождает семя. ^[21]

  

  Русчия сп. ( Aizoaceae ) цветки и многоступенчатые семенные коробочки.

• Некоторые растения синхронизируют раскрытие зрелой семенной коробочки с активными осадками-гигрочасами. Этот метод расселения часто наблюдается в засушливых регионах южной и восточной Африки, израильской пустыне, некоторых частях Северной Америки и Сомали, и считается, что он эволюционировал, чтобы обеспечить более высокую выживаемость в засушливых районах. ^[27] Гигрочасы обычно ассоциируются с семейством Aizoaceae spp. , ледяное растение, поскольку > 98% его видов используют растрескивание после увлажнения ; такое расселение также наблюдается у семейства Plantaginaceae с альпийской вероникой Новой Зеландии, эволюционировавшей в последние 9 млн лет. ^[27] Общим для всех семенных коробочек являются треугольные, расположенные по окружности гигроскопичные кили (клапаны), покрывающие семена. Эти защитные клапаны механически открываются только при увлажнении жидкой водой. ^[28] Каждый киль (пять для Delosperma nakurense (англ.) Herre ) состоит из целлюлозной решетчатой ​​ткани, которая набухает при гидратации и открывается в течение нескольких минут. Увеличенные клетки вызывают выпрямление внутренней высохшей складки киля, гигроскопического шарнира, вблизи соединения киля с периметром капсулы. Полностью открытый киль поворачивается более чем на 150°, ^[28] вверх, а затем назад, обнажая семенные отсеки, по одному под каждой створкой, разделенные перегородками , все они лежат на дне капсулы. Семена видны, но они ограничены чашеобразным кольцом, образованным окружающими килями. Последним требованием для распространения является дождь или достаточная влажность, чтобы смыть семена из этого барьера, в просторечии называемого брызговиком. ^[27] Семена, которые переливаются или разбрызгиваются из стаканчика, разбрасываются по близлежащей земле. Любое оставшееся семя сохранится, когда кили высохнут, гигроскопически сморщятся и вернутся в свое естественное сложенное и закрытое состояние. Гигроморфный процесс обратим, повторяем; забытые семена имеют возможность последующего распространения через будущие дожди.

  

  Аистоклюв обыкновенный ( Erodium cicutarium ) семянки со спиральными остями.

  

  Семенные бутоны иглы и нити ( Hesperostipa comata )

• Семена некоторых цветковых трав и трав имеют гигроскопичные придатки (ости) , которые изгибаются при изменении влажности, что позволяет им рассеиваться по земле, что называется герпохорией . Ость будет толкаться (или поворачиваться), когда семя высвобождается, ее движение зависит от физиологии растения. Последующие гигрометрические изменения приводят к повторению движений, толканию (или скручиванию), вдавливанию семян в землю. ^[20]

  Два семейства покрытосеменных имеют схожие методы распространения, хотя методы реализации различаются внутри семейства: примерами семейства Geraniaceae являются аист обыкновенный ( Erodium cicutarium ) и герань ( Pelargonium sp. ); Семейство Poaceae , Игольчатые ( Hesperostipa comata ) и пшеница ( Triticum spp. ). Все они полагаются на двухслойную физиологию гигроскопических клеток с параллельными волокнами, которая контролирует движение ости при распространении и самозахоронении семян. ^[2] Выравнивание целлюлозных фибрилл в клеточной стенке, контролирующей ость, определяет направление движения. Если расположение волокон наклонено, жилкование непараллельное, развивается спираль и движение ости становится скручивающим (накручивающимся), а не изгибающимся; ^[21] например, скручивание происходит у остей Erodium , ^[2] и Hesperostipa . ^[29]

• Некоторые растения используют гигроскопические движения для баллохори (саморассеивания), активные баллисты, принудительно выбрасывающие свои семена; например, виды герани, фиалки, кислицы, гамамелиса, недотроги (недотроги) и аканта. Сообщается, что при разрыве семенной коробочки Bauhinia purpurea ее семена разлетаются на расстояние до 15 метров. ^[30]

Инженерные свойства

Гигроскопические свойства различных материалов показаны в виде графиков; 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, как правило, квалификация гигроскопичности и негигроскопичности определяется в каждом конкретном случае. Например, фармацевтические препараты, которые улавливают более 5% по массе, при относительной влажности от 40 до 90% при 25 °C, описываются как гигроскопичные, тогда как материалы, которые улавливают менее 1% в тех же условиях, считаются негигроскопичными. гигроскопичен. ^[32]

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

Гигроскопия также играет важную роль в разработке пластмассовых материалов. Некоторые пластмассы, например нейлон , гигроскопичны, а другие нет.

Полимеры

Многие инженерные полимеры гигроскопичны, в том числе нейлон , АБС , поликарбонат , целлюлоза , карбоксиметилцеллюлоза и полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло , плексиглас ).

Другие полимеры, такие как полиэтилен и полистирол , обычно не впитывают много влаги, но способны удерживать 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 при выпечке часто используется для достижения разницы в содержании влаги и, следовательно, хрустящей корочки. Различные сорта сахара используются в разных количествах для получения хрустящего печенья (британский английский: biscuit) по сравнению с мягким, жевательным тортом. Сахара, такие как мед , коричневый сахар и патока , являются примерами подсластителей, используемых для создания более влажных и жевательных тортов. ^[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 со сбором тумана в избранных окрестностях дублировали гидрофильные поверхности и гигроскопическое смачивание поверхности, наблюдаемое при гидратации древесных лягушек ( биомимикрия ). Последующая оптимизация материала позволила создать искусственные гидрофильные поверхности со скоростью сбора 25 мг H ₂ O/(см ² ч), что более чем в два раза превышает скорость сбора древесными лягушками в сопоставимых условиях, т.е. при 100% относительной влажности (относительной влажности). ^[16]
• Другой подход работает при относительной влажности ниже 15–30%, но также имеет ограничения по окружающей среде; необходим устойчивый источник биомассы. Супергигроскопичные полимерные пленки, состоящие из биомассы и гигроскопических солей, способны конденсировать влагу из атмосферной влаги. ^[16] Благодаря реализации быстрой кинетики сорбции-десорбции и работе 14–24 циклов в день этот метод позволил получить эквивалентный выход воды 5,8–13,3 л/кг ^{экологически} чистого сырья, демонстрируя потенциал для недорогой и масштабируемой атмосферной воды. сбор урожая. ^[36]

Гигроскопические клеи являются кандидатами на коммерческое развитие. Наиболее распространенная причина выхода из строя синтетического клея при высокой влажности связана с тем, что вода смазывает зону контакта, что влияет на качество склеивания. Гигроскопические 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 проекты и системы умных зданий, например, в самооткрывающиеся окна. ^[20] Такое движение привлекательно, это адаптивная, самоформирующаяся реакция, которая не требует никакой внешней силы или энергии. Однако возможности текущего выбора материалов ограничены. Смоделирован и оценен биомиметический дизайн гигроморфных древесных композитов и строительных систем с гидроприводом. ^[37]

• Не хватает времени гигрометрического отклика, точного изменения формы и долговечности. Большинство доступных в настоящее время композитов с гидроактивацией уступают по качеству и демонстрируют усталостное разрушение гораздо раньше, чем наблюдаемое в природе, например, в чешуйках сосновых шишек, что указывает на необходимость лучшего понимания биологической структуры растений. ^[37] Необходимы материалы, состоящие из реагирующих на жидкость активных бислойных систем, которые могут управлять запланированным конформационным гигроморфизмом. ^[20]
• Современные композиты требуют нежелательных компромиссов между временем гигроморфного отклика и механической стабильностью, которые также должны быть сбалансированы с изменяющимися воздействиями окружающей среды. ^[37]

Смотрите также

• Ядра конденсации облаков
• Критическая относительная влажность
• цветущий
• Равновесное содержание влаги
• гидрофильный
• гидрофоб

Рекомендации

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. Хасс, Джессика С.; Гирлингер, Нотбурга (июнь 2021 г.). «Функциональная упаковка семян». Новый фитолог: Международный журнал науки о растениях . 230 (6): 2154–2163. дои : 10.1111/nph.17299. ПМЦ 8252473 . ПМИД  33629369. 
3. Паркер, Филипп М., изд. (17 мая 2010 г.). Гигроскопичность: хронология Вебстера, 1880–2007 гг . ICON Group International, Inc.
4. Гуппи, Генри Б. (1912). Исследования семян и фруктов (PDF) . Лондон, Англия: Уильямс и Норгейт. стр. 147–150 . Проверено 5 февраля 2023 г.
5. «Гигроскопические соединения». www.hygroscopecycle.com . ИБЕРЖИ. Архивировано из оригинала 8 апреля 2017 года . Проверено 7 апреля 2017 г.
6. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) «гидрофильный». дои : 10.1351/goldbook.H02906
7. Пелли, Джанет (30 мая 2016 г.). «Действительно ли засев облаков работает?». Новости химии и техники . 94 (22) . Проверено 29 января 2023 г.
8. Уэллс, Микки; Вуд, Дэниел; Санфтлебен, Рональд; Шоу, Келли; Хоттови, Джефф; Вебер, Томас; Жоффруа, Жан-Мари; Алкире, Тодд; Пустошь; Сарабия, Рафаэль (июнь 1997 г.). «Карбонат калия как осушитель в шипучих таблетках». Международный фармацевтический журнал . 152 (2): 227–235. дои : 10.1016/S0378-5173(97)00093-8.
9. Йост, Людвиг; Гибсон, Р. Дж. Харви (1907). Лекции по физиологии растений. Оксфорд: Кларендон Пресс. стр. 405–417 . Проверено 22 февраля 2023 г.
10. Рейссат, Э.; Махадеван, Л. (1 июля 2009 г.). «Гигроморфы: от сосновых шишек до биомиметических бислоев». Журнал интерфейса Королевского общества . Издательство Королевского общества. 6 (39): 951–957. дои : 10.1098/rsif.2009.0184. ПМЦ 2838359 . ПМИД  19570796. 
11. Уоткинс-младший, Джеймс Э; Тесто, Уэстон Л. (11 апреля 2022 г.). «Тщательное наблюдение за обычным папоротником бросает вызов устоявшимся представлениям о том, как движутся растения. Комментарий к статье «Лайи папоротника, которые движутся как сосновые шишки: движение плодородных листочков, вызванное влажностью, определяет время распространения спор у широко распространенных видов папоротников»». Анналы ботаники . 129 (5): i – iii. doi : 10.1093/aob/mcac017. ПМК 9007092 . ПМИД  35211726 . Проверено 23 февраля 2023 г. 
12. Эльбаум, Ривка; Авраам, Яэль (июнь 2014 г.). «Понимание микроструктуры гигроскопического движения при распространении семян растений». Наука о растениях . 223 : 124–133. doi :10.1016/j.plantsci.2014.03.014. ПМИД  24767122.
13. Команс, Филипп; Уизерс, Филип К.; Эссер, Фальк Дж.; Баумгартнер, Вернер (ноябрь 2016 г.). «Кожный сбор воды ящерицей, собирающей влагу, тернистым дьяволом (Moloch horridus)». Журнал экспериментальной биологии . 219 (21): 3473–3479. дои : 10.1242/jeb.148791 . PMID  27807218. S2CID  22725331.
14. Сингла, Сараншу; Амарпури, Гаурав; Дхопаткар, Нишад; Блэкледж, Тодд А.; Дхиноджвала, Али (22 мая 2018 г.). «Гигроскопические соединения в клее для заполнителей крестовины удаляют межфазную воду, чтобы сохранить адгезию во влажных условиях». Природные коммуникации . 9 (1890 (2018)): 1890. Бибкод : 2018NatCo...9.1890S. дои : 10.1038/s41467-018-04263-z. ПМК 5964112 . ПМИД  29789602. 
15. Команс, Филипп (май 2018 г.). «Пассивный сбор воды покровами: механизмы и их биомиметический потенциал». Журнал экспериментальной биологии . 221 (10): Таблица 1. doi : 10.1242/jeb.153130 . PMID  29789349. S2CID  46893569.
16. Команс, Филипп (май 2018 г.). «Пассивный сбор воды покровами: механизмы и их биомиметический потенциал». Журнал экспериментальной биологии . 221 (10). дои : 10.1242/jeb.153130 . PMID  29789349. S2CID  46893569.
17. Команда AskNature (23 марта 2020 г.). «Клапан регулирует водопроницаемость: древесный люпин». AskNature.org . Институт биомимикрии . Проверено 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 . Проверено 4 февраля 2023 г.
19. Хайд, EOC (апрель 1954 г.). «Функция ворот у некоторых Papilionaceae в отношении созревания семян и проницаемости семенника». Анналы ботаники . Издательство Оксфордского университета. 18 (70): 241–256. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a083393. JSTOR  42907240 . Проверено 11 февраля 2023 г.
20. Брюле, Вероника; Рафсанджани, Ахмад; Асгари, Мейсам; Вестерн, Тамара Л.; Пасини, Дамиано (октябрь 2019 г.). «Трехмерные функциональные градиенты направляют скручивание стебля у воскресшего растения Selaginella lepidophylla». Журнал интерфейса Королевского общества . 16 (159). дои : 10.1098/rsif.2019.0454. ПМК 6833318 . ПМИД  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. Шелдон, JC; Берроуз, FM (май 1973 г.). «Эффективность расселения семянко-папповых единиц избранных сложноцветных при устойчивом ветре с конвекцией». Новый фитолог . 72 (3): 666. doi : 10.1111/j.1469-8137.1973.tb04415.x .
23. Huss, Джессика С.; Гирлингер, Нотбурга (июнь 2021 г.). «Функциональная упаковка семян». Новый фитолог: Международный журнал науки о растениях . 230 (6): Таблица 1. doi :10.1111/nph.17299. ПМЦ 8252473 . ПМИД  33629369. 
24. Петруцелло, Мелисса (2023). «Игра с диким огнем: 5 удивительных приспособлений пирофитных растений». britannica.com . Британская энциклопедия, Inc. Проверено 22 февраля 2023 г.
25. Сил, Мадлен; Поцелуй, Аннамария; Бовио, Симона; Виола, Игнацио Мария; Мастропаоло, Энрико; Будауд, Арезки; Накаяма, Наоми (6 мая 2022 г.). «Морфирование хохолка одуванчика происходит за счет набухания материала с радиальным рисунком». Природные коммуникации . 13 (2498 (2022)): 2498. Бибкод : 2022NatCo..13.2498S. дои : 10.1038/s41467-022-30245-3. hdl : 20.500.11820/b89b6b81-c97c-4145-a0a7-253119cd0c66 . ПМК 9076835 . ПМИД  35523798. 
26. Истман, Джон (18 февраля 2015 г.). «Семена, которые сажают сами себя». indefenseofplants.com . Проверено 1 марта 2023 г.
27. Пуфал, Гезине; Гарнок-Джонс, Фил (сентябрь 2010 г.). «Раскрытие гигрочастической капсулы поддерживает стратегию безопасного участка для новозеландской альпийской вероники (Plantaginaceae)». Анналы ботаники . 106 (3): 405–412. дои : 10.1093/aob/mcq136. ПМЦ 2924830 . ПМИД  20587583. 
28. Харрингтон, Мэтью Дж.; Разганди, Хашаяр; Дитч, Фридрих; Гуидуччи, Лоренцо; Рюггеберг, Маркус; Данлоп, Джон У.К.; Фратцль, Питер; Найнхейс, Кристоф; Бургерт, Инго (7 июня 2011 г.). «Разворачивание гидроприводимых капсул с семенами ледяных растений в стиле оригами». Природные коммуникации . 2 (337 (2011)): 337. Бибкод : 2011NatCo...2..337H. дои : 10.1038/ncomms1336 . ПМИД  21654637.
29. Информационная система по последствиям пожара, виды: Hesperostipa comata. Архивировано 28 мая 2017 г. в Wayback Machine, Лесная служба Министерства сельского хозяйства США.
30. «Репродуктивная часть семенного растения: распространение водой» . www.britanica.com . Британника. 2023. С. Семена: Саморассеивание . Проверено 5 марта 2023 г.
31. Нейков, Олег Домьянович (7 декабря 2018 г.). Справочник порошков цветных металлов: технологии и применение. Эльзевир Наука. ISBN 978-0-08-100543-9. ОСЛК  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 , ISBN Van Nostand Reinhold Company Inc. 0-442-22777-9 , стр.547 
34. "НЕЙЛОН". sdplastics.com . San Diego Plastics, Inc. Архивировано из оригинала 13 мая 2017 года . Проверено 7 апреля 2017 г.
35. Слоан, Т. О'Конор. Факты, которые стоит знать, выбраны в основном из журнала Scientific American для домашнего хозяйства, мастерских и фермы, охватывающего практическую и полезную информацию для каждой отрасли промышленности. Хартфорд: СС Скрэнтон и компания, 1895 г.
36. Го, Юхонг; Гуань, Вэйсинь; Лей, Чусинь; Лу, Хэнъи; Ши, Вэнь; Ю, Гуйхуа (19 мая 2022 г.). «Масштабируемые супергигроскопичные полимерные пленки для устойчивого сбора влаги в засушливых условиях». Природные коммуникации . 13 ((1):2761): Аннотация. Бибкод : 2022NatCo..13.2761G. дои : 10.1038/s41467-022-30505-2. ПМК 9120194 . ПМИД  35589809. 
37. Чжан, Тяньи; Ли, Руи; Лю, Чжитинг; Пэн, Хуэй; Лю, Цзяньсюн (10 марта 2023 г.). «От адаптивных растительных материалов к деревянным строительным системам с гидроприводом: обзор». Строительство и строительные материалы . 369 (130479): Аннотация. doi : 10.1016/j.conbuildmat.2023.130479. S2CID  256593092 . Проверено 18 марта 2023 г.

Внешние ссылки

• Видео о расплывании хлорида кальция
• Движение гигроскопичных органических солей.