1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مروری بر رطوبت گیری از هوا در طبیعت

افراد مقاله : ‌ مترجم - علی انصاری , مترجم - فاطمه خسرونژاد

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : آب - طبیعت - تقلید زیستی تاریخ مقاله : 1397/09/27 تعداد بازدید : 809

طبیعت روش‌های مختلفی را برای زنده ماندن در شرایط آب و هوایی خشک ایجاد کرده است. هدف از این مقاله، بررسی تطبیقی این روش‌ها و جمع‌آوری اطلاعاتی از متون علمی گذشته است که برای ساخت دستگاه‌های رطوبت‌گیر از هوا، مشابه آنچه در طبیعت وجود دارد، قابل استفاده باشند. اغلب دستگاه‌های رطوبت‌گیر هوا که امروزه ساخته شده‌اند، از طبیعت الهام گرفته نشده و تعداد کمی از این دستگاه‌ها که طبق اصول زیست‌تقلیدی ساخته شده‌اند نیز صرفاً با الهام از یک گونه از جانداران بوده است. درحالی‌که این بررسی با مرور متون علمی، جهت تهیه‌ی فهرستی از انواع گونه‌های جانوری (مهره‌داران و بی‌مهرگان) و گیاهی که با رطوبت‌گیری هوا در مناطق آب و هوایی خشک و بیابانی زندگی می‌کنند، انجام شده است که یافته‌های کلیدی آن به‌طور خلاصه بیان می‌شود. ساختار سطحی ویژه‌ای به شکل ریزساختار شش‌ضلعی شامل شیارها و برجستگی‌های مخروطی شکل در سطح بدن جانداران شناخته شده است. در این‌جا ارتباط این ریزساختار با جهت جریان آب جذب‌شده که به‌وسیله‌ی انرژی سطحی بدن جاندار کنترل می‌شود، مورد بحث قرار گرفته است. در متون قبلی، ارتباط و همگرایی این دو موضوع به این شکل بحث نشده بود. این اطلاعات در آینده می‌تواند برای طراحی دستگاه‌های رطوبت‌گیر هوا مورد استفاده قرار گیرد.

 

1- مقدمه و پیش‌زمینه‌ی ترمودینامیکی
طبیعت برای زنده ماندن در شرایط آب و هوایی خشک، روش‌های مختلفی را به کار گرفته است.‌ یکی از اولین تحقیقات در این زمینه به‌وسیله‌ی هیلز (Hales) با بررسی گیاهان جاذب رطوبت هوا با عنوان "شبنم و باران" در سال 1727 میلادی انجام شد. بیش از 100 سال پیش، لوید (Lloyd) این دیدگاه را مطرح کرد که تحقیقات آینده بر روی این موضوع خواهد بود که چگونه گیاهان رطوبت هوا را جذب می‌کنند و به‌طور دقیق‌تر، چگونه ساختار و ویژگی‌های سطح جاذب، بر تسریع جذب رطوبت اثر می‌گذارد (1905). بولویگ (Bolwig) در حمایت از این دیدگاه اظهار داشت که "مهم‌ترین منبع آب در صحرای کالاهاری از برگ‌های سبز است" (1958). بی‌مهرگانی مانند سوسک صحرای نامیبیا از رطوبت مه ناشی از اقیانوس اطلس که در بخش‌هایی از صحرای نامیبیا وجود دارد، استفاده می‌کند که در واقع این نوع استفاده از رطوبت برای زنده ماندن و نحوه‌ی چگالش شبنم، مورد هدف این مقاله است. با توجه به اهمیت کلیدی رطوبت هوا در این فرآیند، ابتدا لازم است که به شناختی از اصول ترمودینامیکی مطالعات رطوبت سنجی دست‌یابیم؛ در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.

باران، مه، غبار صبحگاهی و شبنم، همگی از انواع منابع رطوبت هوا بوده و در موضوع جذب رطوبت هوا حائز اهمیت هستند. مه و شبنم حاصل متراکم شدن و چگالش رطوبت هوا و تشکیل قطرات ریز آب هستند که این قطرات می‌توانند به صورت معلق در هوا بوده و یا بر روی سطوح مختلف تشکیل شوند. اندازه‌ی قطرات آب نیز می‌تواند از 5/0 تا 5 میلی‌متر در قطرات باران و 1 تا 40 میکرون در قطرات مه متفاوت باشد. تعریف استاندارد مه نیز طبق افق دید کم‌تر از یک کیلومتر در نظر گرفته می‌شود.

انواع مه شامل 7 دسته است که چهار نوع آن بر اساس محل و فرآیند تشکیل مه (شامل مه تابشی، دریایی، بخاری و فرارفتی) و سه نوع دیگر بر اساس محل جغرافیایی مه (شامل مه ساحلی، دره‌ای و کوهستانی) تقسیم‌بندی می‌شوند. تشکیل مه اغلب از منابع آب در همان محل منشأ می‌گیرد. درواقع تشکیل مه از بخار حاصل از تبخیر منابع آبی محلی و یا فرآیند تعریق گیاهان شروع می‌شود. سپس این بخار آب موجود در جو با هسته‌زایی و رشد بر روی هسته‌های موجود در جو از جمله ذرات ریز گرد و غبار، قطرات آب مه را ایجاد می‌کند. اندازه‌ی این قطرات قابل مشاهده‌ی مه می‌تواند بسته به قطر هسته‌ی اولیه متفاوت باشد.

برای تراکم و چگالش رطوبت هوا بر روی سطوح و تشکیل شبنم، باید دمای سطح کم‌تر از دمای محیط و یا نهایتاً هم‌دما با آن باشد. این فرآیند اشباع و تراکم رطوبت هوا در دمای معادل نقطه‌ی شبنم یا کم‌تر از آن صورت می‌گیرد و به میزان بخار آب موجود در هوا نیز بستگی دارد.

دمای مناسب برای تراکم سطحی بخار آب، تحت تأثیر شرایط جوی قرار می‌گیرد. برای مثال، آسمان شب مشابه یک جسم سیاه با دمای منبع حرارت تابشی 9/2 کلوین عمل می‌کند. این امر موجب افزایش تشکیل شبنم در یک شب صاف و بدون ابر و بر روی سطوح خاصی می‌شود که توانایی تابش با این دمای مرجع از طریق امواج فروسرخ را دارند. هسته‌زایی قطرات شبنم تحت شرایط ترمودینامیکی پایدار و بدون تبخیر و بر روی سطوحی که دمای پایین‌تر از دمای محیط اطراف داشته باشند، انجام می‌شود.

هر قطره در تماس با یک سطح جامد، در مرز سه فازی، یک زاویه‌ی تماسی خاص ( ) ایجاد می‌کند که مقدار آن بیانگر میزان ترشوندگی سطح است. این زاویه در شکل 1 نشان داده شده است.                                                        

در صورتی که زاویه‌ی تماس آب با سطح، کم‌تر از 90 درجه باشد، ترشوندگی سطح اتفاق می‌افتد و سطح به‌عنوان سطحی آب‌دوست تلقی می‌شود؛‌ یعنی آب را به سطح خود جذب می‌کند. درحالی‌که وقتی مولکول‌های مایع بیش‌تر به سمت یک‌دیگر جذب می‌شوند (توسط نیروهای چسبندگی بین مولکولی که مولکول‌های مایع را به سمت یک‌دیگر می‌کشاند) ، ترشوندگی سطح کاهش می‌یابد. در این شرایط، زاویه‌ی تماس بزرگ‌تر از 90 درجه بوده و سطح به‌عنوان سطحی آب‌گریز تلقی شده و قطرات روی سطح امکان حرکت دارند. مواد آب‌دوست و آب‌گریز از نظر برهمکنش با یک قطره‌ی ساکن آب در شکل 2 نشان داده شده‌اند.

خصوصیات سطحی مربوط به سطح چگالش، نقش مهمی در فرآیند هسته‌زایی و به‌ویژه در ترشوندگی سطح دارد. سطح گیاهان و جانوران به‌جای صاف و یکنواخت بودن، دارای بافتی ویژه و ذاتاً ناهمگون است. این امر موجب ایجاد هیسترزیس (پسماند) میان زاویه‌ی تماس بیشینه و زاویه‌ی تماس کمینه می‌شود. زاویه‌ی تماس بیشینه، بزرگ‌ترین زاویه‌ی تماسی است که یک قطره‌ی در حال رشد در حالت پایدار می‌تواند داشته باشد و زاویه‌ی تماس کمینه، کوچک‌ترین زاویه‌ی تماسی است که یک قطره‌ی در حال کشش و کوچک شدن در شرایط پایدار می‌تواند به آن برسد. هیسترزیس علت چسبیدن یک مایع به سطح را بیان می‌کند. در واقع یک قطره می‌تواند بسته به تعادل بین کشش سطحی و نیروی گرانشی بر روی یک سطح مایل بچسبد (ثابت بماند) و یا به پایین بغلتد. در این‌جا لازم است به معیار گیبس نیز در زمینه‌ی چسبندگی قطرات آب اشاره شود. گیبس دریافت که در لبه‌های تیز سطح یک ماده (برای مثال در رأس یک مخروط)، معادله‌ی یانگ (معادله‌ی 1) در زاویه‌ی تماس ( ) محدوده‌ی  صدق نمی‌کند (زاویه‌ی رأسی لبه‌های سطح برابر ).

قطراتی که روی سطوح بافته‌شده قرار می‌گیرند، می‌توانند طبق شرایط کاملاً مرطوب ونزل (Wenzel) (در شرایطی که قطره با رأس و بین پستی‌ها و بلندی‌های سطح برهمکنش کامل دارد) یا طبق شرایط کاسی - باکستر (در شرایطی که قطره در رأس بلندی‌های سطح و به‌نوعی بر روی هوای بین بلندی‌های سطح قرار می‌گیرد.) توصیف شوند. چسبندگی قطره در شرایط ونزل به صورت جذب قوی به سطح است.

 

2- روبت‌گیری به‌وسیله‌ی جانوران و گیاهان
در سال 1957، یک مطالعه‌ی مروری به‌وسیله‌ی استون (Stone) جهت بررسی شبنم و جذب آب به‌وسیله‌ی گیاهان در شرایط مختلف آب و هوایی انجام شد. مطالعه‌ی فعلی، در جهت گسترش بررسی‌های استون، انواع جانوران و گیاهانی را که در شرایط آب و هوایی خشک و بدون بارندگی زندگی می‌کنند و برای زنده ماندن به جذب شبنم و مه نیاز دارند، بررسی می‌کند. چندین گونه که آب مورد نیاز خود را از باران تأمین می‌کنند نیز ذکر شده‌اند. برای مثال، نوعی مار به نام Crotalus cerastes laterorepens که در کویر ‌یوما (Yuma) ‌یافت می‌شود و هم‌چنین نوعی لاک‌پشت به نام Psammobates tentorius trimeni در مناطق نیمه‌خشک جنوب آفریقا، آب باران را برداشت می‌کنند. البته تمرکز این مقاله بر جانداران جاذب آب باران نخواهد بود؛ بلکه هدف اصلی این مطالعه، جانداران رطوبت‌گیر از هوا (از جمله شبنم و مه) در مناطق فاقد باران است. اولین بخش از مطالعه،‌ شناسایی همه‌ی جانوران و گیاهانی بوده است که به‌عنوان جاذب‌های مستقیم شبنم یا مه ذکر شده بودند. این اطلاعات در مورد گونه‌هایی که توانایی آب‌گیری از شبنم یا مه را دارند در جدول 1 و 2 تجمیع شده‌اند.

ون در سال 1991 عنوان کرده است که بوته‌ی صحرای نامیبیا به نام Arthraerua leubnitziae (تیره‌ی تاج خروسیان) احتمالاً می‌تواند آب موجود در مه را به‌طور غیرمستقیم جذب کند (که البته سازوکار آن توضیح داده نشده است). به‌هرحال چون این گونه‌ی گیاهی جاذب غیرمستقیم رطوبت است، در این مقاله مورد بررسی قرار نمی‌گیرد.

 

3- مروری بر یافته‌های کلیدی متون علمی گذشته
در این بخش، خلاصه‌ای از نکات کلیدی مطرح‌شده در مقالات مربوط به گونه‌های جاذب مستقیم رطوبت هوا (جداول 1 و 2 ) ارائه می‌گردد. برای سهولت خواندن مطلب، ‌یافته‌های مرتبط با یک‌دیگر در قالب پنج بخش شامل سوسک‌ها، قورباغه‌ها، مارمولک‌ها، عنکبوت‌ها و گیاهان تقسیم شده‌اند. مطالب در بندهای بعدی در قالب  شناسایی مقاله (به‌عنوان مثال: عنوان و نویسنده) و در ادامه‌ی آن جملاتی از خلاصه‌ی مطالب اصلی آن مقاله، تحت عنوان "یافته‌های کلیدی" و هم‌چنین دیدگا ههای این مطالعه در مورد هر مقاله تحت عنوان "تحلیل" ارائه شده‌اند. برخی از مقالات مورد استفاده مبتنی بر مشاهدات و برخی نیز بر اساس مطالعات حجم‌سنجی بوده‌اند.

 

3-1- سوسک‌ها
پنج گونه سوسک به‌عنوان جاذب شبنم و مه شناسایی شده‌اند. در این میان، چهار گونه به نام‌های Physosterna Cribripes، Onymacris unguicularis، Stenocara gracilipes و Onymacris bicolor به‌عنوان جاذب‌های مستقیم رطوبت هوا و یک گونه به نام Onymacris laeviceps (که به‌وسیله‌ی نورگارد و همکارانش در سال 2012 معرفی شد) به‌عنوان جاذب غیرمستقیم رطوبت هوا هستند.

به نظر می‌رسد که توافق کلی میان محققان در مورد جذب رطوبت به‌طور مستقیم به‌وسیله‌ی دو گونه‌ی Onymacris وجود دارد، درحالی‌که همچنان تردیدهایی در مورد جذب مستقیم یا غیرمستقیم رطوبت به‌وسیله‌ی گونه‌های Stenocara gracilipes و Physosterna Cribripes باقی است.

پارکر و لورنس (2001) ، درباره‌ی نحوه‌ی ایستادن سوسک Physosterna Cribripes برای جذب مه بحث کرده‌اند که البته به‌وسیله‌ی برخی محققان (نورگارد و داک، 2010) به‌عنوان رفتار هشداردهنده‌ی این سوسک در مواقع خطر توصیف شده است. بااین‌وجود، به دنبال مقاله‌ی پارکر و لورنس در سال 2001، با بررسی بیش‌تر و شبیه‌سازی سطح آب‌دوست و آب‌گریز این سوسک، اطلاعات بیش‌تری که مطرح کننده‌ی رطوبت‌گیری به‌وسیله‌ی این سطح است، به دست آمد (Zhai و همکاران، 2006؛ Garrod و همکاران، 2007؛ Dorrer و Ruhe، 2008؛ Hong و همکاران، 2012).

سوسک‌های Stenocara gracilipes و Physosterna Cribripes هر دو دارای بال‌های پشتی سیاه (اسکلت خارجی سخت که سطح پشتی شکم سوسک را می‌پوشاند) با پستی و بلندی‌های ریز در سطح مشابه تپه، دامنه و دره هستند؛ با این تفاوت که Stenocara gracilipes شکم کوچک‌تری داشته و درنتیجه سطح پشتی کم‌تری دارد. سوسک Onymacris unguicularis بالی سیاه با شیارهایی در بخشی از سطح بال (از پشت تا وسط بال) دارد. Onymacris laeviceps نیز شیارهایی بر سطح بال خود دارد که از شیارهای بال Onymacris unguicularis ظریف‌تر بوده و از پشت تا جلوی بال را دربرمی‌گیرند. در میان این سوسک‌ها، Onymacris bicolor تنها سوسکی است که بال سفیدرنگ دارد. بزرگ‌ترین این سوسک‌ها، Physosterna Cribripes و کوچک‌ترین آن‌ها، Stenocara gracilipes است. بررسی‌های این مقاله با تمرکز بر چهار مورد از این پنج سوسک ارائه شده است (در مورد نحوه‌ی جذب رطوبت هوا به‌وسیله‌ی Onymacris bicolor، جزئیات بیش‌تری از آن‌چه که در جدول 1 گزارش شده است در مقالات‌یافت نشد).

دو مورد از مقالاتی که در این بخش مورد بررسی قرار گرفته‌اند، به بحث درباره‌ی خصوصیات آب‌دوستی و آب‌گریزی سوسک Physosterna Cribripes پرداخته بودند. پارکر و لورنس (2001) بیان کرند که برجستگی‌های تپه مانند سطح بال، آب‌دوست هستند؛ درحالی‌که نورگارد و همکارانش (2012) بیان کردند که هیچ نواحی آب‌دوستی در هیچ بخشی از سطح این پنج گونه‌ی سوسک ‌یافت نکردند. در صورتی که گفته‌ی نورگارد و همکارانش صحیح باشد، نباید هسته‌زایی ترجیحی در فرآیند چگالش آب بر سطح وجود داشته باشد؛ درحالی‌که اگر سطح بال سوسک آب‌دوست و آب‌گریز باشد، در این صورت هسته‌زایی ترجیحی در فرآیند چگالش روی برجستگی‌های آب‌دوست وجود خواهد داشت که اتفاقاً همین هسته‌زایی ترجیحی در مطالعه‌ی واراناسی (Varanasi) و همکارانش (سال 2009) بر روی سطوح مصنوعی مشاهده شد. گوداراما-ستینا و همکاران در مطالعه‌ای، دریافتند که هسته‌زایی از فرورفتگی‌های سطح اتفاق می‌افتد. آن‌ها این‌یافته را به علت ریزساختار هگزاگونال و نه به دلیل وجود نواحی آب‌دوست در آن محل‌ها دانستند.

به نظر می‌رسد که در مطالعات گذشته، اجماعی در مورد نقش موم موجود بر بال سوسک از نظر ایجاد نقاط آب‌گریز در جذب رطوبت هوا وجود ندارد. البته بیش‌تر مطالعات در این زمینه صرفاً بر یک گونه از این سوسک‌ها (Physosterna Cribripes) انجام شده است. علاوه‌بر این، مطالعات قبلی بر روی سوسک مرده انجام شده است؛ درحالی‌که بال سوسک زنده ممکن است ویژگی‌های سطحی متفاوتی داشته باشد که در فرآیند جذب رطوبت هوا مؤثر باشد. راه حل پیشنهادی در این زمینه، بررسی دقیق ویژگی‌های سطحی بال سوسک برای شناخت نواحی آب‌دوست است که در ادامه بحث خواهد شد.

 

3-1-1- رفتار به دام انداختن مه و بازدهی جمع‌آوری آب به‌وسیله‌ی سوسک سیاه صحرای نامیبیا
رفتار چهار جنس مختلف (نمونه‌های زنده) سوسک‌های نامیبیایی شامل Physosterna Cribripes، Onymacris unguicularis، Stenocara gracilipes، Onymacris laeviceps از طریق مشاهده مورد بررسی قرار گرفت.

یافته‌های کلیدی: از میان سوسک‌های زنده، فقط سوسک Onymacris unguicularis رفتار کلاسیک به دام انداختن مه را در هنگام ایجاد مه نشان داد. هم‌چنین بال سوسک‌های مرده از نظر بازدهی جذب آب و از طریق روش‌های حجم‌سنجی با استفاده از لوله‌ی اپندروف و جمع‌آوری آب حاصل از جذب مه مورد آزمایش قرار گرفت. در این بررسی، تفاوت معنی‌داری میان مقدار آب جذب‌شده به‌وسیله‌ی بال‌های این چهار گونه سوسک مشاهده نشد؛ هرچند که هر‌یک از این گونه‌ها ساختار و نواحی سطحی متفاوت و خاصی دارند. با‌ یکسان‌سازی اندازه‌ی سوسک‌های مختلف نسبت به مساحت بال Physosterna Cribripes (به‌عنوان بزرگ‌ترین سوسک در میان این چهار گونه) ، نشان داده شد که بزرگ‌ترین سوسک، کم‌ترین حجم آب را جذب کرده‌اند؛ درحالی‌که Onymacris unguicularis و Stenocara gracilipes بیش‌ترین بازده آب‌گیری از رطوبت هوا را داشتند. Stenocara gracilipes، کوچک‌ترین سوسک در میان این چهار گونه، بیش‌ترین حجم آب را جذب کرد.

نشان داده شد که سوسک Stenocara gracilipes حدود دو برابر آب بیش‌تری نسبت به Physosterna Cribripes به ازای واحد سطح جذب کرده است. این دو گونه‌ی سوسک که روی بال‌های خود برجستگی‌های تپه‌ای شکل دارند، در مقایسه با دو گونه‌ی دیگر که بال‌های شیاردار دارند، در دو سر طیف بازدهی آب‌گیری از رطوبت هوا قرار گرفتند. در نمونه‌های مرده‌ی هر چهار گونه سوسک، هیچ‌گونه نواحی آب‌دوستی روی بال‌ها آن‌ها ‌یافت نشد. فقط سوسک Physosterna Cribripes نواحی کوچکی از موم آب‌گریز را نشان داد.

نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که چون سوسک‌های کوچک‌تر، لایه‌ی مرزی باریک‌تری دارند، جاذب‌های رطوبت بهتری هستند؛ مشابه پدیده‌ای که در فرآیند جذب مه به‌وسیله‌ی برگ‌های نازک‌تر اتفاق می‌افتد. رشد لایه‌ی مرزی به دنبال جریان هوا با عدد رینولدز تعیین می‌شود که ابعاد سوسک در مقدار آن بسیار تعیین‌کننده است (بونان، 2002).

تحلیل: در ‌یکسان‌سازی مساحت سطح بال سوسک، ریزساختار آن در نظر گرفته نمی‌شود. مشاهده‌ی تصاویر SEM از بال‌های سوسک‌ها نشان می‌دهد که Stenocara gracilipes (پربازده‌ترین سوسک جاذب رطوبت هوا) کانون‌های پستی و بلندی بیش‌تری در سطح خود دارد که بیانگر برجستگی‌های کوچک و بزرگ بیش‌تر نسبت به سه گونه‌ی دیگر است.

با توجه به نواحی شناخته‌ی شده‌ی حاوی موم در سطح بال سوسک، می‌توان موم را با استفاده از روش رنگ‌آمیزی سودان III [i]بر روی برجستگی‌های سطح Physosterna Cribripes مشاهده کرد که نشان‌دهنده‌ی آب‌گریزی در این نواحی است. درحالی‌که اگر گفته‌ی نویسندگان قبلی مبنی بر "عدم وجود هیچ ناحیه‌ی آب‌دوستی در هیچ بخشی از بال سوسک" صحیح بود، رنگ‌آمیزی سودان III می‌باید در تمام سطح بال سوسک، موم را نشان می‌داد ]که بیانگر اشتباه احتمالی نویسندگان قبلی است[.

به‌هرحال با توجه به شکل 3 می‌توان مشاهده کرد که نواحی حاوی موم به شکل براق و سایر نواحی که فاقد موم هستند به شکل کدر دیده می‌شوند که بیانگر وجود نواحی آب‌دوست در این بخش‌های کدر است.

برای اطمینان بیش‌تر درباره‌ی نواحی مومی از دو نوع مرکب رنگ‌آمیزی استفاده شده است. نورگارد و همکاران (2012) از رنگ سودان III و پارکر و لورنس (2001) از رنگ Red O استفاده کرده‌اند. رنگ‌آمیزی Red O رنگ قرمز تیره‌تر و مشخص‌تری در مقایسه با رنگ قرمز - نارنجی حاصل از سودان III ایجاد می‌کند که همین امر موجب محبوبیت و کارایی بیش‌تر رنگ Red O شده است.

پارکر و لورنس (2001) خاطرنشان کردند که فیلم‌های گرفته‌شده، رشد قطرات آب بر روی برجستگی‌های سطح را قبل از افتادن آن‌ها از روی سطح نشان داده است؛ بنابراین هسته‌زایی آب می‌تواند بیانگر این موضوع باشد که این نواحی از سطح بال سوسک خاصیت آب‌دوستی دارند. هم‌چنین در صورت بررسی دقیق‌تر با بزرگنمایی بیش‌تر ممکن است که آب ابتدا در نواحی دره مانند سطح چگالش یافته و سپس با استفاده از نواحی برجستگی‌های آب‌گریز سطح به سمت دهان سوسک غلت خورده و هدایت شود. ساختار 6 ضلعی (هگزاگونال) نواحی دره مانند سطح که با استفاده از SEM تشخیص داده شده‌اند، می‌تواند تأییدی بر آب‌دوستی این نواحی با توجه به توپوگرافی آن باشد (توضیحات بیش‌تر و تصاویر در بخش 1-4).

 

3-1-2- جانور یا گیاه؟ کدام‌یک رطوبت‌گیر بهتری است؟ (Norgaard و همکاران، 2012)
این مطالعه مبتنی بر مقایسه‌ی حجم‌سنجی بین یک گونه‌ی سوسک (Onymacris unguicularis) و چمن تپه‌های شنی بوشمان (Stipagrostris sabulicola) و با هدف تعیین رطوبت‌گیر کارآمدتر انجام شده است. گیاه Stipagrostris sabulicola در بخش گیاهان در ادامه بحث خواهد شد، اما با توجه به این‌که مطالعه‌ی این مقاله‌ی مروری بر هر دو گونه‌ی سوسک و گیاه بوده است، ‌یافته‌های کلیدی آن در زیر به‌طور خلاصه مطرح می‌شود.

یافته‌های کلیدی: سوسک‌ها رطوبت مه را در بالای تپه‌های شنی جذب می‌کنند، درحالی‌که علف رطوبت مه را در پایین در قاعده‌ی تپه‌ها جذب می‌کند؛ هرچند که دسترسی به مه در قاعده‌ی تپه نسبت به بالای آن کم‌تر است. دینامیک جریان آب جذب‌شده به‌وسیله‌ی سوسک به صورت ثابت و در مورد علف به صورت دوره‌ای و آبشاری است. آب جذب‌شده به‌وسیله‌ی سوسک بسیار کم‌تر از علف بود، اما مؤلفان به طرز عجیبی متوجه شدند که یک سیم فلزی همان مقدار آبی را جذب کرد که علف جذب کرده بود. آن‌ها اظهار داشتند که:

"این موضوع نشان می‌دهد که ساختار سه‌بعدی علف، فارغ از هر ویژگی سطحی دیگر، عامل مهم در قابلیت جذب آب به‌وسیله‌ی آن است."

سوسک‌ها در ابتدا مقدار آب بیش‌تری جذب کردند، اما پس از گذشت 100 دقیقه، علف به‌طور ناگهانی نرخ جریان آب جذب‌شده‌ی خود را افزایش داد. نویسندگان دریافتند که نرخ تصادفی و غیرقابل‌پیش‌بینی جذب آب به‌وسیله‌ی علف در مقایسه با نرخ ثابت جذب آب به‌وسیله‌ی سوسک، سؤالاتی را در مورد سازوکار‌های این تغییرات ناگهانی در جذب آب علف مطرح می‌کند.

تحلیل: نویسندگان نتیجه گرفتند که علف به‌طور قابل توجهی، رطوبت‌گیر بهتری است که البته این ویژگی پس از گذشت 100 دقیقه از شروع فرآیند، که پس از آن علف جذب آب خود را طی 20 دقیقه به پنج برابر می‌رساند، نمایان می‌شود. این موضوع می‌تواند از این نظر مورد بحث باشد که تحت شرایط طبیعی، سوسک توانایی نوشیدن مقدار اندکی آب و با جریان ثابت و محدودی را دارد تا این‌که به حداکثر ظرفیت نگهداری آب خود برسد (فضای زیر بال سوسک در محل بین بال و سطح پشتی بدن سوسک، این امکان را فراهم می‌کند که آب را برای نگهداری آن بنوشد و بدن سوسک مقداری بزرگ شود؛ تا جایی که این فضا به‌طور کامل پرشود). سوسک‌ها هم‌چنین مجبور هستند که در یک بازه‌ی زمانی محدود با کارایی بالایی آب جمع کنند تا زمان قرار گرفتن خود در معرض دید حیوانات شکارچی را به حداقل برسانند. درحالی‌که نیازهای آبی علف با سوسک متفاوت است.

افزایش ناگهانی و چشم‌گیر جریان آب پس از 100 دقیقه، نامتناسب با سایر بخش‌های مطالعه به نظر می‌رسد و این موضوع به‌وسیله‌ی نویسندگان مقاله توضیح داده نشده است و صرفاً بیان کرده‌اند که علف نمی‌تواند مشابه سوسک حرکت داشته باشد. اکنون این سؤال مطرح می‌شود که: آیا این تغییر ناشی از خطای آزمایش است‌یا به دلیل آن‌که علف در این زمان اشباع می‌شود؟ نویسندگان این مقاله مطالعه‌ی خود را بر روی 12 علف تکرار کرده‌اند و بنابراین فرضیه‌ی وجود خطای آزمایش رد می‌شود. این امر که قطعات 100 میلی‌متری علف مورد استفاده در آزمایش، از ریشه‌ی خود جدا شده بودند ممکن است روی خصوصیات علف تأثیر گذاشته باشد و به گونه‌ای موجب افزایش ناگهانی جریان آب جذبی شده باشد.

با توجه به این‌که هیچ تصویری با استفاده از SEM از ساختار علف تهیه نشده است، انجام مقایسه‌ی ریزساختاری در مقیاس میکرو امکان‌پذیر نیست. این اطلاعات می‌توانست در درک بهتر ساختمان سطحی علف و مقایسه‌ی نتایج با سایر مطالعات کمک‌کننده باشد. البته محققان نمونه‌ها را با در نظر گرفتن مساحت سطح فوقانی آن‌ها مقایسه کردند که نسبتاً مقایسه‌ی صحیحی به دست می‌دهد.

با توجه به این‌که سیم فلزی (آهن گالوانیزه) مقدار آب مشابه علف از رطوبت هوا جذب کرده است، می‌توان گفت که این اثر به دلیل دمای سیم بوده است که در صورت سرد بودن به قدر کافی، موجب جذب رطوبت هوا شده باشد. جنس سیم نیز باید به‌عنوان یک عامل در نظر گرفته شود. تصویری از سیم مورد استفاده به‌وسیله‌ی نویسندگان مقاله ارائه نشده است و بنابراین نمی‌توان در مورد این موضوع نظر داد که احتمالاً قدرت جذب آب به دلیل زبری سطح سیم و درنتیجه وجود کانون‌های متعدد برجستگی‌های سطحی به‌عنوان محل چگالش رطوبت بوده باشد. جالب خواهد بود که بتوانیم تصاویر SEM سطح سیم را ببینیم تا بحث‌ها و تحلیل‌های بیش‌تری در مورد نتایج این مطالعه ارائه دهیم.

 

3-1-3- به دام انداختن آب به‌وسیله‌ی یک سوسک بیابانی (پارکر و لورنس، 2001)
اگرچه در این مقاله، در زمان انجام آزمایش‌ها، سوسک مورد استفاده را به‌عنوان Stenocara طبقه‌بندی کرده بودند، اما بعدها آن را به‌عنوان سوسک Physosterna Cribripes اصلاح کردند. آن‌ها توانایی جذب آب این سوسک را در شرایط مه بررسی کردند.

یافته‌های کلیدی: ساختار سطحی سوسک دارای پستی و بلندی است که به صورت نواحی متناوب آب‌دوست (نواحی صیقلی و بدون موم که به شکل برجستگی تپه مانند دیده می‌شوند) و آب‌گریز (نواحی دارای بافت مومی که به شکل دره و دامنه‌ی تپه‌ها دیده می‌شوند) هستند. نواحی دارای بافت مومی در سطح بال، خاصیت ابر آب‌گریزی دارند و در مقیاس میکرون، به شکل آرایه‌ای شش‌ضلعی (هگزاگونال) از نیمکره‌های صاف‌شده دیده می‌شوند.

با گرفتن فیلم از این فرآیند، مشاهده شد که قطره‌ی آب در ابتدا بر روی برجستگی‌های آب‌دوست شکل می‌گیرد و رشد می‌کند؛ تا جایی که سطح ناحیه‌ی مومی را می‌پوشاند و از روی این نواحی بر روی بال شیب‌دار سوسک (شیب ناشی از طرز قرار گرفتن سوسک برای جذب آب) به سمت پایین سرازیر می‌شود. قطره‌ی آب به‌وسیله‌ی موانع ناشی از برجستگی‌های موجود در این مسیر به پایین هدایت می‌شود. قطره‌ای که به پایین سر می‌خورد، باید به حداقلی از شعاع اندازه رسیده باشد که بتواند بر نیروی ناشی از باد (در صحرای نامیبیا به‌طور میانگین برابر  5) در آن محیط غلبه کند.

محققان این مقاله با شبیه‌سازی ساختار سوسک با استفاده از دانه‌های کروی شیشه‌ای نیمه‌آغشته به موم بر روی اسلاید میکروسکوپ به بررسی بیش‌تر آن پرداختند. آن‌ها از ترکیب چهار ساختار متفاوت در اسلایدها استفاده کردند تا بازدهی جذب رطوبت آن‌ها را آزمایش کنند. آن‌ها دریافتند که آرایه‌ی مربعی دانه‌های کروی، بیش‌ترین بازدهی جذب آب و اسلاید شیشه‌ای صاف، بیش‌ترین تغییر و تنوع را در جذب آب از خود نشان می‌دهند. آن‌ها با توجه به این تجربه نتیجه گرفتند که ترکیب نقاط آب‌دوست و آب‌گریز بر روی یک سطح، بیش‌ترین بازدهی را در جذب رطوبت هوا دارد.

تحلیل: این محققان به‌عنوان اولین افرادی بودند که برای کشف ایده و سرنخ‌هایی برای جذب آب از رطوبت هوا در کاربردهای انسانی، به بررسی دقیق سوسک نامیبیایی پرداختند. اگرچه که گونه‌ی سوسک مورد استفاده در این مقاله به اشتباه نام‌گذاری شده بودند و بعداً اصلاح شدند، اما این محققان یک تصویر کامل از این سوسک را ثبت و ارائه کرده بودند که موجب شد محققان بعدی بتوانند نمونه‌ی سوسک مورد استفاده را به درستی شناسایی کنند. بهتر است در مقالات بعدی که بر روی هر گونه از جانداران آزمایش می‌کنند نیز یک تصویر کامل از گونه‌ی مورد استفاده ارائه شود تا از درستی شناسایی گونه اطمینان حاصل شود.

میزان جذب آب با قرار دادن نمونه‌ها در معرض افشانه‌ی ریز قطرات آب (که البته این افشانه از نظر اندازه‌ی قطرات که باید در حدود اندازه‌ی قطرات مه (  40-1) باشد تنظیم نشده بود) آزمایش شده است. مرحله‌ی بعدی آزمایش می‌توانست این باشد که نمونه‌ها در یک محفظه‌ی مه بررسی شوند تا دید بهتری نسبت به عملکرد نمونه‌ها در شرایط مشابه شرایط طبیعی به دست آید. محققان نتیجه گرفتند که ساختار آرایه‌ی مربعی روی اسلاید میکروسکوپ بهترین نتیجه را داشته است، اما میانگین مقدار آب جذب‌شده به‌وسیله‌ی اسلاید شیشه‌ای صاف نیز در تمام زمانی که آب در ویال جمع‌آوری می‌شده، مشابه همین مقدار بوده است. در طراحی یک جاذب رطوبت هوا یا انجام آزمایش‌های مشابه بهتر است جهت اطمینان از عدم اتلاف بخشی از آب جذب‌شده، از یک ناودان برای جمع‌آوری کامل آب استفاده شود (همان‌طور که کاربرد آن در لاک‌پشت‌ها به‌وسیله‌ی Auffenberg (1963) توضیح داده شده است).

 

4-1-3- جذب رطوبت مه به‌وسیله‌ی سوسک نامیبیایی Physosterna Cribripes (Guadarrama-Cetina و همکاران)
قابلیت جذب رطوبت مه به‌وسیله‌ی بال سیاه‌رنگ و دارای برجستگی سوسک Physosterna Cribripes درون یک محفظه‌ی چگالش (به منظور تسریع هسته‌زایی قطرات آب روی سطح بال) هم‌زمان با تف سنجی به منظور سنجش تابش مادون قرمز آن مورد آزمایش قرار گرفته است.

یافته‌های کلیدی: مشاهده شد که فرآیند تراکم همواره از نواحی دره مانند آب‌دوست سطح بال شروع شده و سپس در سطح نواحی تپه مانند آب‌گریز چگالش یافته است؛ بنابراین عنوان شد که این پدیده به علل زیر بوده است:

1- "اثرات گرمایی": نواحی دره مانند خنک‌تر بوده‌اند.

2- زبری و ترشوندگی سطح در هسته‌زایی بین فرورفتگی‌ها و برجستگی‌ها شده است.

در این تحقیق، ویژگی‌های سطحی بال سوسک شامل ریزساختار شش‌ضلعی (هگزاگونال) و تابش زیاد پرتوی مادون قرمز به‌وسیله‌ی آن (  در محدوده‌ی طول موج 14-8 میکرون) به‌عنوان عامل چگالش رطوبت شناخته شدند. تفاوت ترشوندگی برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های سطح بال بر اساس اطلاعات زاویه‌ی تماس بررسی شد. زاویه‌ی تماس برجستگی‌ها ( ) در مقایسه با فرورفتگی‌های سطح ( ) بزرگ تو بود که به ترتیب نشان‌دهنده‌ی رفتار آب‌گریزی و آب‌دوستی آن‌ها است.

تحلیل: با توجه به این‌که هر دو ناحیه‌ی برجستگی و فرورفتگی‌های سطح بال به‌وسیله‌ی موم پوشیده شده بودند، نویسندگان مقاله نتوانستند علت آب‌دوستی بیش‌تر در فرورفتگی‌ها نسبت برجستگی‌ها را توضیح دهند. آن‌ها ترشوندگی سطح را به ریزساختار آن نسبت دادند. موم موجود در سطح بال که ماده‌ای آب‌گریز در نظر گرفته شده است، ممکن است در واقع ماده‌ای آب‌دوست بوده باشد؛ همان‌طور که در موم سطح گیاهان شناخته شد. پوشش مومی که روی سطح جانوران مناطق آب و هوایی خشک وجود دارد، مشابه پوشش گیاهان این مناطق، در کاهش خشک شدن و از دست دادن آب مؤثر است؛ بنابراین اگر در تحقیقات مشخص شود که موم سطح سوسک خاصیت آب‌دوستی دارد (مشابه آن‌چه که در مورد گیاهان شناخته شده است) ، می‌توان این‌گونه تحلیل کرد که موجب تحریک هسته‌زایی قطرات آب و درنتیجه پیوستن آن‌ها به یک‌دیگر و پوشاندن سطح جانوران و گیاهان می‌گردد. این امر هم‌چنین به‌عنوان سدی در برابر تبخیر از سطح بدن جانوران و تعریق گیاهان عمل کرده و موجب کاهش از دست دادن آب می‌شود.

 

3-2- قورباغه‌ها
در بررسی متون گذشته، فقط یک گونه قورباغه‌ی سبز درختی در استرالیا به نام Litoria caerulea برای بررسی در این مقاله مناسب بوده و انتخاب شد.

 

3-2-1-‌یادداشتی از تاریخ طبیعی
چگالش رطوبت در سطح پوست به‌عنوان راهی برای به دست آوردن آب در قورباغه‌های مناطق گرمسیری استرالیا (Tracy و همکاران، 2011) : قورباغه‌های سبز درختی (Litoria caerulea) مناطق گرمسیری شمال استرالیا از نظر چگالش رطوبت در سطح پوست خود در حفره‌های درختی گرم طبیعی و مصنوعی مورد بررسی قرار گرفتند.

یافته‌های کلیدی: جرم بدن قورباغه با رفتن از محیط سرد خارج حفره‌های درختی به درون حفره‌های درختی طبیعی گرم و مرطوب دائماً افزایش می‌یافت (به دلیل جذب آب) و چگالش رطوبت در سطح پشتی بدن قورباغه مشاهده می‌شد. هم‌چنین با ورود قورباغه به درون حفره‌های درختی مصنوعی نیز جرم بدن قورباغه به همین صورت افزایش می‌یافت و چگالش رطوبت در سطح پشتی بدن قورباغه قابل مشاهده بود.

در مواردی که از نظر شرایط آب و هوایی امکان‌پذیر بود (رطوبت بالا، تبادل حرارتی تابشی، هوای سرد) ، شبنم قبل از ورود قورباغه به داخل حفره‌ی درختی بر روی سطح بدن قورباغه تشکیل می‌شد (دمای سطح قورباغه از نقطه‌ی شبنم پایین‌تر بود).

تحلیل: این مطالعه صرفاً به تشکیل شبنم و نه جذب رطوبت مه، پرداخته است. این موضوع به‌درستی و به این دلیل در این مقاله مطالعه شده است که گونه‌های قورباغه‌ی استرالیایی باید با مقدار بسیار کمی آب در شرایط سخت فصول خشک سال زنده بمانند که به نظر می‌رسد قورباغه‌ها این معضل را با جذب شبنم در سطح بدن خود حل می‌کنند.

دمای بدن قورباغه به‌عنوان عامل کلیدی در جذب شبنم به نظر می‌رسد. نویسندگان این مقاله، به تعداد دیگری از مقالاتی که به مطالعه‌ی گونه‌های جاذب آب باران یا شبنم پرداخته بودند نیز اشاره کرده است.

·        مارمولک‌ها: Bentley و Blumer (1962) ، Gans و همکاران (1982)

·        مارها: Sherbrooke (2004) ، Glaudas (2009)

·        لاک‌پشت‌ها: Auffenberg (1963)

·        حشرات: Hamilton و Seely (1976) ، Hamilton و همکاران (2003) ، Henschel و Seely (2008)

آزمایش‌ها و مطالعات بیش‌تر بر روی این گونه‌ی قورباغه در این مقاله مطرح نمی‌شود؛ زیرا ارتباط چندانی به مبحث جذب مه نداشته و در مقاله‌ی مرجع نیز اطلاعات بیش‌تری از ریزساختار پوست قورباغه ارائه نشده است.

 

3-3- مارمولک‌ها
سه گونه مارمولک به نام‌های Moloch horridus، Phrynocephalus arabicus، Phrynosoma cornutum به‌عنوان جاذب مه (و هم‌چنین جاذب سایر اشکال رطوبت در هوا) شناخته شدند. این مارمولک‌ها از مناطق جغرافیایی متفاوتی در زمین منشأ می‌گیرند و بنابراین به نظر می‌رسد که به صورت جداگانه از نظر توانایی جذب رطوبت تکامل یافته‌اند.

 

3-3-1- جذب رطوبت هوا و انتقال آب از طریق ریزساختارهای ویژه روی پوست مارمولک‌ها (Comanns و همکاران، 2011)
این مطالعه به سه گونه‌ی مارمولک به نام‌های Moloch horridus، Phrynocephalus arabicus، Phrynosoma cornutum که جاذب آب (از رطوبت هوا، مه، شبنم، باران و خاک) در مناطق خشک جهان هستند، پرداخته است. آن‌ها به این دلیل این سه گونه مارمولک را برای مطالعه انتخاب کردند که احساس کردند توانایی جذب آب این سه گونه به‌طور جدا از هم تکامل‌یافته است و بنابراین برای همگرایی بیش‌تر اطلاعات به مقایسه‌ی ریزساختار سطح این سه گونه پرداختند.

یافته‌های کلیدی: پوست مارمولک نقش واضحی در جذب آب به داخل نداشت، بلکه به‌عنوان انتقال‌دهنده‌ی آب به سمت دهان مارمولک عمل می‌کرد. لایه‌ی خارجی بتا کراتینه‌ی پوست مارمولک، آرایش لانه‌زنبوری (کندوی عسل) ایجاد می‌کند (که در Phrynocephalus arabicus کم‌تر از سایر گونه‌ها است). این سطح خارجی ذاتاً خاصیت ابر آب‌دوستی دارد که موجب ترشوندگی زیاد در سطح می‌شود. محققان دریافتند که این ویژگی بیش‌تر از جنس از ریزساختار سطح ناشی می‌شود.

با وجود این‌که سه گونه اشکال خارجی کاملاً متفاوتی داشتند، اما همه‌ی آن‌ها پوسته‌ای با ترشوندگی بالا داشتند که موجب پخش شدن سریع آب در سطح می‌شد. مارمولک Phrynosoma cornutum در مقایسه با دو گونه‌ی دیگر، سرعت بیش‌تری در انتقال قدامی آب به سمت دهان خود نشان می‌داد.

چگالش آب در هنگام صبح زود می‌تواند به علت پایین باقی ماندن دمای بدن این مارمولک‌های خون سرد پس از سپری کردن یک شب بسیار سرد باشد. محققان اثر ساختار سطحی لانه‌زنبوری پوسته‌ی مارمولک را در چگالش آب با ساختن سطوح اپوکسی مشابه آزمایش کردند و دریافتند که چگالش در این سطوح نسبت به سطوح اپوکسی بدون ساختار لانه‌زنبوری به میزان 100% بیش‌تر است. آن‌ها بیان کردند که:

" این امر می‌تواند فقط به دلیل افزایش زبری سطح باشد؛ زیرا سطح زبر، کانون‌های چگالش بیش‌تری را فراهم می‌کند. به‌هرحال اگر چگالشی که اتفاق افتاده موجب ایجاد یک لایه‌ی آبی در ساختار لانه‌زنبوری شود، سطح خاصیت ترشوندگی بالای خود را (که قبلاً توضیح داده شد) نشان داده و درنتیجه می‌تواند موجب جذب رطوبت بهتر از سایر منابع آب از جمله باران، مه و شبنم گردد. "

تحلیل: اگر محققان این مقاله آزمایشی برای بررسی موم در سطح بدن مارمولک نیز انجام می‌دادند می‌توانست از دیدگاه مقاله‌ی مروری ما بسیار جالب باشد. سطح خارجی مارمولک از بتا کراتین، که از نظر نسبت استحکام به وزن بالا شناخته شده است، به همراه کیتین (که بال سوسک را تشکیل می‌دهد و مشابه کراتین است) تشکیل شده است. جالب است بدانیم که تار عنکبوت نیز از نظر استحکام معروف بوده و از کراتین ساخته می‌شود.

 

3-4- عنکبوت‌ها
تار ابریشمی مرطوب عنکبوت Uloborus walckenaerius به‌عنوان جاذب رطوبتی که خاصیت جهت‌دار نیز دارد، شناخته شده است.

 

3-4-1- جذب جهت‌یافته‌ی رطوبت به‌وسیله‌ی ابریشم مرطوب عنکبوت (Zheng و همکاران، 2010)
این محققان به بررسی تشکیل و جمع‌آوری قطرات آب روی تار عنکبوت Uloborus walckenaerius پرداخته‌اند. سپس با استفاده از یک ماده‌ی سنتتیک متخلخل با گره دهی مصنوعی متناوب به فواصل ، تار عنکبوت را شبیه‌سازی نمودند.

یافته‌های کلیدی: تارهای ابریشمی عنکبوت از پروتئین‌های آب‌دوست و حساس به رطوبت تشکیل شده‌اند که موجب افزایش ترشوندگی ابریشم عنکبوت شده و مناسب برای جذب قطرات آب در حال چگالش است. به دنبال مرطوب و‌تر شدن تار ابریشمی، ساختار آن تغییر کرده و موجب جمع‌آوری آب به شکل جهت‌دار می‌شود.

ابریشم مرطوب شده‌ی عنکبوت دارای زبری‌های گره مانند متناوب به همراه محل‌های اتصال در میان آن‌ها است که به صورت ساختارهایی در موازات هم قرار دارند. این ساختار علاوه‌بر ایجاد یک نیروی پیشرانه (با توجه به گرادیان انرژی سطحی و قانون فشار لاپلاس) موجب جریان جهت‌دار آب می‌شود. آب روی هر دو ناحیه‌ی گره‌ها و اتصالات چگالش می‌یابد، اما توپوگرافی اتصالات به‌گونه‌ای است که به‌عنوان انتقال‌دهنده‌ی آب به سمت محل‌های جمع‌آوری آب در گره‌ها نقش ایفا می‌کند. اتصالات در مقایسه با گره‌ها، زاویه‌ی تماس بیش‌تری به قطرات آب دارند. گره‌ها نسبت به اتصالات، آب‌دوست‌تر بوده و انرژی سطحی بالاتری دارند. این امر مطابق با معادله‌ی یانگ (معادله‌ی 1) است که در انرژی سطحی کم‌تر، زاویه‌ی تماس افزایش‌یافته و درنتیجه آب‌گریزی سطح افزایش می‌یابد.

با توجه به تفاوت بارز در زبری نواحی گرهی و اتصالی، قطرات آب به دلیل اختلاف انرژی سطحی از اتصالات آب‌دوست با انرژی سطح کم‌تر به سمت گره‌های آب‌دوست‌تر با انرژی سطحی بیش‌تر رانده می‌شوند. گره‌های مخروطی شکل (به شکل دو مخروط متصل به هم) اختلافی در فشار لاپلاس ایجاد کرده و بر جریان جهت‌دار قطرات آب می‌افزاید. پخش شدن قطرات آب بر روی توپوگرافی سطحی موازی اتصالات راحت‌تر از گره‌ها اتفاق می‌افتد؛ زیرا اتصالات با توجه به خط تماس سه فازی پیوسته در مقایسه با حالت گسسته در گره‌های زبر، هیسترزیس کم‌تری دارند.

تحلیل: نویسندگان مقاله با ارجاع به سایر مقالاتی که ویژگی‌های ساختاری غیرمعمول جانداران را بررسی کرده‌اند، توضیح داده‌اند که:

"سطوح زیستی بسیاری در سلسله‌ی گیاهان و جانوران، ویژگی‌های ساختاری غیرمعمولی در مقیاس میکرو و نانومتر دارند که برهمکنش آن‌ها با آب و درنتیجه ترشوندگی سطح را کنترل می‌کنند."

در مطالعه‌ی مروری فعلی، مقایسه‌ی سطوح گونه‌های معرفی‌شده انجام گرفته و اطلاعات حاصل در بخش چهار برای گونه‌های گیاهی و جانوری تجمیع شده‌اند.

 

3-5- گیاهان
سه گونه‌ی گیاهی شامل Opuntia microdasys، Stipagrostis sabulicola و Trianthema hereroensis به‌عنوان جاذب‌های مه و گونه‌ی دیگر به نام Welwitschia mirabilis و هم‌چنین درختان Redwood (Sequoia sempervirens) به‌عنوان جاذب‌های احتمالی مه شناخته شده‌اند. علف تپه‌های شنی (Stipagrostis sabulicola) در یک تحقیق جهت مقایسه با سوسک در بخش سوسک‌ها مورد بحث قرار گرفت و در بخش فعلی توضیح داده نمی‌شود.

 

3-5-1- سامانه‌ی چندساختار و چندمنظوره‌ی جذب رطوبت مه در کاکتوس (Ju و همکاران، 2012) :
یک عدد خار از کاکتوس کویر چیهواوا (گونه‌ی Opuntia microdasys) از نظر قابلیت جذب رطوبت مه مورد بررسی قرار گرفته و از اطلاعات حاصل از آن برای طراحی سامانه‌ی مصنوعی جذب مه استفاده می‌شود.

یافته‌های کلیدی: سه بخش سطحی با خواص ساختاری متفاوت در خار کاکتوس وجود دارد: نوک خاردار، شیارهای بخش میانی و زوائد مویی در قاعده. هر یک از این بخش‌ها نقش منحصربه‌فردی در جمع‌آوری مه دارد. قطرات آب همواره، فارغ از جهت خارها، از نوک به سمت قاعده‌ی خار حرکت می‌کردند و این امر حقیقتی را روشن کرد که جهت جمع‌آوری قطرات آب روی خارها تحت تأثیر جهت نیروی گرانش نیست. تحلیل محققان درباره‌ی علل حرکت جهت‌یافته‌ی قطرات آب شامل موارد زیر بود:

·    اختلاف انرژی آزاد سطحی که از شیارهای ریز سطح خار ناشی می‌شود (با توجه به این‌که در رأس خار نسبت به قاعده‌ی آن شیارهای بیش‌تری وجود دارد، رأس خار زبرتر است.)

·        اختلاف فشار لاپلاس به علت شکل مخروطی خار که با زبری سطح آن نیز این اختلاف تشدید می‌شود

·    ساختار نامتقارن سطح خارهای ریز موجود در رأس خار که موجب غلتیدن و پخش شدن قطرات آب در یک جهت شده و به حرکت جهت‌یافته‌ی قطرات کمک می‌کند.

سرعت جابه‌جایی آب در طول خار در مقایسه با جذب آب به‌وسیله‌ی زوائد مویی قاعده کم‌تر است که این نرخ جذب بالا موجب قابلیت جذب سریع‌تر و بیش‌تر رطوبت مه می‌گردد.

رأس خار نیز دارای گرادیان ترشوندگی است که از گرادیان زبری سطح (شیارهای سطحی) ناشی می‌شود. شیارهای سطحی هم‌راستا:

·        پخش شدن قطره‌ی آب را کاهش می‌دهد.

·        گرادیان فشار لاپلاس را ازایش می‌دهد.

·    هیسترزیس ناهمسانگرد زاویه‌ی تماسی به صورت موازی یا عمود بر جهت شیارها ایجاد می‌کند که احتمال حرکت قطرات آب را در جهت موازی با شیارهای خار و به سمت قاعده‌ی خار افزایش می‌دهد.

خوشه‌های حاوی تعداد زیادی خار مورد بررسی قرار نگرفتند؛ اما به نظر می‌رسد که مجموعه‌ی خوشه‌های متعدد خار در سطح کاکتوس، توانایی جمع‌آوری مه را افزایش می‌دهد.

تحلیل: موضوع دیگری که مورد بررسی دقیق قرار نگرفت، وجود نواحی مومی در سطح خارها بود. این موضوع می‌توانست از نظر مقایسه با سایر گیاهان و جانوران جالب‌توجه باشد.

 

3-5-2- ساختار سطحی برگ‌ها، علف بومی صحرای نامیبیا (Stipagrostis sabulicola) را قادر می‌سازد که خود را با آب حاصل از مه آبیاری کند (Roth-Nebelsick و همکاران، 2012)
ساقه‌ی گیاه Stipagrostis sabulicola دارای برگ‌هایی است که به صورت فشرده و روی‌هم در اطراف آن قرار دارند. ساختار این برگ‌ها از نظر قابلیت جذب رطوبت مه مورد مطالعه قرار گرفتند. این مطالعه شامل مشاهدات میدانی گیاه به همراه تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی بود.

یافته‌های کلیدی: سطح برگ ساختار بسیار نامنظم به همراه یک لایه مومی دارد، ولی مشخص شد که خاصیت آب‌دوستی با زاویه‌ی تماس افزایش‌یابنده دارد که به‌تدریج آب‌گریز می‌شود. تشکیل قطرات آب حاصل از مه می‌تواند بر روی برگ‌های بلند دیده شود و مشاهده شد که این قطرات با سایر قطراتی که به برگ چسبیده‌اند ترکیب می‌شوند. در نهایت قطرات از برگ‌ها به سمت ریشه‌ها پایین می‌آیند تا با جمع‌کردن قطرات کوچک‌تر موجود در این مسیر، به یک قطر بحرانی برسند. جریان قطرات آب موازی با شیارهای روی برگ است.

مشاهده شده است که قطرات آب جمع‌آوری‌شده حتی زمانی که برگ از موقعیت عمودی خود کج شده است نیز در سطح برگ به سمت قاعده‌ی آن پایین می‌آیند. این مورد اگر برگ در زاویه‌ی کمتر از 15 درجه با سطح افق باشد اتفاق نمی‌افتد. پیشنهاد شده که ناهمواری‌های سطحی که روی برگ مشاهده می‌شوند (نظیر موهای زبر، ساختار مومی و رسوبات ته‌نشین شده‌ی احتمالی مانند نمک و شن) می‌توانند روی وضعیت چسبیدن قطرات تأثیر بگذارد. ناهمواری‌ها می‌توانند نظیر نقاط تماسی که قطرات کوچک به آن متصل می‌شوند رفتار کنند. این اتصال قطرات آب می‌تواند به تشکیل قطرات بزرگ‌تر کمک کند.

نرخ جمع‌آوری آب برای برگ با الیاف نایلونی در ابعاد مشابه مقایسه شد و ثابت شد که برگ جمع کننده‌ی به وضوح بهتری است. تصور می‌شود که این به خاطر زبری بیش‌تر سطح گیاه در مقایسه با نایلون است. این اعتقاد وجود دارد که ویژگی‌های ساختاری گیاه دلیلی برای این مورد است که چرا قطرات آب در هنگام تعامل با برگ رفتار خاصی دارند. به‌علاوه قطرات آب ناشی از مه ترجیح می‌دهند که ابتدا به شیارهای علف بچسبند و پیش از آن‌که به جرم بحرانی رسیده و به سمت پایین ساقه‌ی گیاه بغلتند، باهم تلفیق شوند.

نویسنده روی این حقیقت که موم‌های سطح این گیاه، گروه‌های آب‌دوستی با زاویه‌ی تماس ذاتی کمتر از 90 درجه را ایجاد می‌کنند، به Wagner و همکاران (2003) ارجاع داده است. جاذبه، فشار لاپلاس و زبری سطح همگی در دینامیک قطرات آب برداشت‌شده نقش دارند.

 

3-5-3- مه در جنگل قرمز کالیفرنیا: ورودی‌های اکوسیستم و مصرف آن به‌وسیله‌ی گیاهان (Dawson 1998)
این مطالعه طی سه سال و با نگاه به اثر آب ناشی از مه بر اکوسیستم جنگل‌های قرمز کالیفرنیا (Sequioa sempervirens) انجام شده است.

یافته‌های کلیدی: کشف شده است که درختان Sequioa sempervirens می‌توانند مه را جذب کنند، که سپس قطرات از درختان پایین می‌افتند و 34% میانگین آب ورودی سالانه‌ی جنگل را تأمین می‌کنند که وقتی هیچ درختی نبود فقط 17% میانگین آب ورودی سالانه‌ی جنگل از مه تأمین می‌شد. این مقاله به مقاله‌ای از Ingwersen (1985) ارجاع داده شده که روی این موضوع مطالعه کرده که اگر درختان (مانند صنوبر Douglas (Pseudotsuga menziesii) ) از حوزه‌ی آبریز حذف شوند چگونه حجم آب حاصل از مه در اکوسیستم در راستای قطرات مه و جریان آب، کاهش می‌یابد.

این تحقیق، محاسبه کرده که در این ناحیه ترکیبات ایزوتوپ شناخته شده برای آب حاصل از مه در مقایسه با سایر منابع آب (به‌طور مثال آب حاصل از باران و منابع آب زیرزمینی) چقدر متفاوت است تا متوجه شود که سهم هرکدام از منابع آبی در جنگل قرمز چقدر است. مه به این ویژگی شناخته شده که در مقایسه با سایر مشتقات بخار اتمسفری خود، بیش‌تر گرایش دارد ایزوتوپ‌های سنگین‌تر (نظیر 2H و 18O) را داشته باشد. بعلاوه نویسنده ادعا کرده که مه در مقایسه با آب حاصل از باران در راستای این حقیقت که منابع آب حاصل از باران تمایل دارند متفاوت باشند، بیش‌تر به صورت ایزوتوپیک غنی شده و هم‌چنین سطوح کمتری از H و O را دارد، زیرا از فواصل طولانی‌تری عبور کرده است و این‌که آب به‌طور پیوسته از ابرها چگالیده می‌شود.

به نظر می‌رسد سایبان درختان بلند نیز مه را می‌گیرد و در نتیجه این امکان را ایجاد می‌کند که آب حاصل از مه به هیدرولوژی اکوسیستم محلی اضافه شود. نویسنده ادعا کرده که وقتی جنگل‌ها به‌طور کامل دست‌نخورده نیستند، چه به خاطر مسائل انسانی (مانند قطع درختان) ‌یا مسائل طبیعی که باعث از دست رفتن درختان می‌شود، مقدار قطرات مه کاهش می‌یابد که باعث می‌شود محتوای رطوبت جنگل همراه با محتوای مواد مغذی کاهش‌یابد.

تحلیل: صنوبرهای Douglas و درختان قرمز هر دو خصوصیات سطحی مخروطی شکلی دارند. وقتی که توانایی برداشت مه و شبنم به‌وسیله‌ی گیاهان و جانوران مورد آزمون قرار می‌گیرد، بررسی ترکیب ایزوتوپیک آب جمع شده می‌تواند ابزار ارزشمندی باشد. ترکیب ایزوتوپیک می‌تواند برای نقاط مختلف دنیا متفاوت باشد و از این رو برای هر منطقه‌ی جغرافیایی، پیشاپیش آنالیز منابع آبی متفاوتی نیاز است. استفاده از یک خط آب شهری محلی (LMWL) [ii]، همان‌طور که در این مطالعه انجام شد و به‌وسیله‌ی خط آب شهری جهانی (GMWL) [iii] مورد توجه قرار گرفت، برای امکان‌پذیر کردن یک اندازه‌گیری ایزوتوپیک مناسب‌تر از تنوع رطوبت هوای محلی، می‌تواند به‌عنوان نکته‌ای مهم برای آینده‌ی تحقیقات در این زمینه مورد توجه قرار بگیرد. GMWL در رابطه‌ای که ارتباط متوسط جهانی بین H پایدار و نسبت‌های ایزوتوپیک O را می‌دهد نشان داده می‌شود (Craig 1961).

 

4-همبستگی اطلاعات
با توجه به دستگاه‌های برداشت کننده‌ی مه و شبنم، مشخص شده که محققان تا کنون به‌طور عمده و در یک زمان مشخص، فقط روی یک گونه برای به دست آوردن قابلیت‌های به دام انداختن آب آن تمرکز کرده‌اند و هدف آن‌ها تبدیل این قابلیت‌ها به یک دستگاه مهندسی بوده است. تا به امروز، هیچ تحقیق کاملی برای فرآیندهای همگرا یا ریزساختارهایی که در انواع این گونه‌ها وجود دارد، انجام نشده تا به این روش برداشت مه و شبنم مورد مطالعه قرار گیرد. تنها در مطالعه‌ای که به‌وسیله‌ی Nørgaard و همکاران (2012) انجام شده، مقایسه‌ای بین یک حیوان با یک گیاه انجام شد، اما این تحقیق فاقد تصاویر SEM و آنالیز ساختاری است. این مقاله‌ی مروری به تصاویر در دسترس از ریزساختار گونه‌های جاذب مه، توجه داشته است و مشخص شد که این ساختارها بسیار غیرمعمول به نظر می‌آیند. در حقیقت به نظر می‌رسد ویژگی‌های موازی قابل توجهی بین گونه‌ها وجود دارد.

ساختارها چندین عملکرد را از جمله دفاع در مقابل عوامل بیگانه (شکارچی) انجام می‌دهند؛ که این عملکرد به وضوح در مورد مارمولک خاردار و هم‌چنین احتمالاً برای کاکتوس وجود دارد. پوسته‌ی بیرونی سخت سوسک نیز به‌عنوان یک پوشش محافظ که از او محافظت می‌کند، عمل می‌کند. مهم است که این عملکردهای مختلف را در خلال آزمایش قابلیت برداشت آب و مه در هرکدام از ین گونه‌ها، در ذهن داشته باشیم. گروهی از مقاله‌های مروری، ساختار سطحی را به‌عنوان یک عامل مهم در فرآیند جمع‌آوری آب ذکر کرده‌اند؛ در این میان ویژگی‌های متعددی وجود دارند که در زیر دسته‌بندی شده‌اند.

 

4-1-ساختارهای شیار مانند
تصاویر SEM از ساختارهای شیار مانند به‌وسیله‌ی نویسندگان مرتبط در موارد متعددی گرفته شده و این ساختار به‌طورکلی در کاکتوس Opuntia microdasys، دو گونه از سوسک‌ها (Onymacris unguicularis و Onymacris laeviceps) و مارمولک Moloch horridus ‌یافت شده است. تارهای عنکبوت Uloborus walckenaerius به‌وسیله‌ی نویسنده به داشتن اتصالات منظم نانوفیبریلی توصیف شده است که احتمالاً به روشی مشابه با ساختارهای شیار مانند عمل می‌کنند. مثال‌هایی از این موارد در شکل 4  نشان داده شده است.

تصور می‌شود این ساختارها در تمامی موارد برای هدایت آب عمل می‌کنند. در مورد مارمولک این شیارها موازی نیستند، ولی در بقیه‌ی موارد می‌توان مشاهده کرد که تمامی شیارها کاملاً موازی و منظم هستند. هم‌چنین می‌توان مشاهده کرد که شیارهای مارمولک از بقیه عمیق‌تر است.

آرایش منظم شیارها همان‌طور که Ju و همکاران (2012) بحث کرده‌اند، به دلیل هیسترزیس زاویه‌ی تماس ناهمسان‌گرد و هم‌چنین این حقیقت که چسبیدن قطرات آب به‌طور کاملاً موازی با شیارها اتفاق نمی‌افتد و بلکه عمود به شیارها هستند Roth-Nebelsick) و همکاران 2012) ، به جریان هدایت‌شده‌ی آب موازی با شیارها کمک می‌کند.

این شیارها به نظر می‌رسد که آب را هدایت می‌کنند و بدین ترتیب از دست رفتن آب (از طریق تبخیر) را به حداقل رسانده و با دور کردن آب از کانون‌های جذب رطوبت (نظیر مکان‌های چگالش آب‌دوست) باعث می‌شوند تا فضا برای جذب آب بیش‌تری فراهم شده و درنتیجه باعث افزایش برداشت آب می‌شوند. از این رو به نظر می‌رسد که عملکرد شیارها فقط گرفتن آب از هوا نیست بلکه بیش‌تر به‌عنوان یک کانال راهنما برای هدایت قطرات آبی است که قبلاً شکل گرفته‌اند.

 

4-2- ساختارهای مخروطی شکل
خار کاکتوس یک شکل مخروطی را نشان داده که طبق یافته‌های Ju و همکاران (2012) ، گرادیان فشاری لاپلاس را ایجاد می‌کند که به‌نوبه‌ی خود، یکی از نیروهای محرکه برای هدایت جریان آب برداشت شده است. با آزمایش روی ساختار تار عنکبوت، پوسته‌ی مارمولک و بال سوسک‌ها (Physostern cribripes و Stenocara gracilipes) می‌توان دید که همه‌ی آن‌ها دارای ساختار مخروطی شکلی هستند که به شیوه مشابهی عمل می‌کنند (برخی از این ساختارها در شکل 5 نشان داده شده‌اند). Zheng و همکاران (2010) توجه را به این نکته جلب کردند که این شکل مخروطی، به‌عنوان یک نیروی محرکه برای آب جمع‌آوری‌شده عمل می‌کند.

جالب است که آب بر روی خارهای کاکتوس بدون توجه به جهت قرارگیری خار از رأس خار به قاعده‌ی آن حرکت می‌کند. به‌طور مشابه، شکل مخروطی در تار مرطوب عنکبوت walckenaerius Uloborus دیده شده که می‌توان مشاهده کرد که آب از محل‌های اتصالی به سمت نواحی گرهی جهت‌دهی می‌شود.

علف Stipagrostis sabulicola که در مناطق فوق‌العاده خشک صحرای نامیبیا ‌یافت می‌شود نیز به وضوح ساختارهای مخروطی شکل را از نوک تا ریشه‌اش نشان می‌دهد. این علف به‌طور مشابه آب برداشت‌شده را از نوک تا ریشه‌اش، برای تمامی زوایای برگ گیاه که بیش‌تر از 15 درجه نسبت به افق هستند، هدایت می‌کند. دو گونه از درختان که اخیراً ذکر شده‌اند، Sequioa sempervirens (درخت جنگل قرمز) و Pseudotsuga menziesii (صنوبر Douglas) هردو ساختار مخروطی شکل را در آرایش برگ‌های سوزنی شکلشان دارا هستند.

 

4-3- جریان آب جهت‌یافته
همان‌طور که در شکل 6 برای علف و پوست مارمولک دیده می‌شود، قطرات آب در یک مسیر ثابت در راستای ساختارهای مخروطی شکل، حرکت می‌کنند.

یکی دیگر از نکات قابل توجه علاوه‌بر ریزساختار مخروطی شکل، گرادیان زبری هر سطح در مقیاس میکرو بوده که نتیجه‌ی مستقیم ناهمواری‌های سطح است. Zheng و همکاران (2010) و Ju و همکاران (2012) موافقند که شیب سطح، جریان آب را به ترتیب برای کاکتوس و تار عنکبوت، از یک منطقه با شیب سطحی کم‌تر به منطقه‌ای با شیب سطحی بیش‌تر هدایت می‌کند. Ju و همکاران (2012) در مورد کاربرد انرژی سطحی برای راندن آب از سطحی با انرژی سطحی کم‌تر به سطحی با مقدار بالاتر انرژی سطحی بحث کرده‌اند. آن‌ها نشان دادند که آب از سطحی که آب‌گریزتر است، زبرتر است، قابلیت ترشوندگی کمتری دارد و دارای انرژی سطحی کم‌تری است به سطحی با انرژی سطحی بالاتر جریان می‌یابد. Zheng و همکاران (2010) هم‌چنین تأیید کردند که حرکت آب بر روی تار عنکبوت‌ها به طرف انرژی سطحی بالاتر است، به صورتی که نواحی گرهی آب‌دوست‌تر از نواحی اتصالی هستند.

این موضوع که آب می‌تواند در خلاف جاذبه و مطابق انرژی آزاد سطحی (Chaudhury و Whitesides 1992) حرکت کند، شناخته شده است. این جریان هدایت‌شده‌ی آب می‌تواند با استفاده از جدول 3 که ارتباط سطوح آب‌گریز و آب‌دوست را با توجه به زاویه‌ی تماس، ترشوندگی سطحی، جریان آب و نیروهای هم چسبی و نشان می‌دهد، بررسی شود.

با در نظر گرفتن زبری سطح، آب از رأس زبر خار کاکتوس به سمت قاعده‌ی صاف‌تر آن حرکت می‌کند که این حرکت با تار عنکبوت که آب از نواحی اتصالی صاف‌تر به سمت نواحی گرهی زبرتر حرکت می‌کنند در تضاد است. باید در نظر داشت که جهت قرارگیری نانوفیبریل‌ها در نواحی اتصالی تار عنکبوت می‌تواند اثر بیش‌تری از زبری سطح داشته باشد. از طرفی، حرکت آب روی جسم مخروطی شکل از شعاع کوچک‌تر به شعاع بزرگ‌تر ]روی خارهای کاکتوس[ به‌وسیله‌ی گرادیان فشار لاپلاس انجام می‌شود که درنتیجه، با توجه به رابطه‌ی معکوس انحنای دایره ( ) با شعاع ( ) ، می‌توان گفت که آب از انحنای بیش‌تر به طرف انحنای کم‌تر جابه‌جا می‌شود؛ مشابه آن‌چه که برای قطرات روی سیم مخروطی شکل مشاهده شد.

جریان جهت‌یافته‌ی آب در گیاه Stipagrostis sabulicola اساساً طبق زبری سطح اتفاق می‌افتد. طبق یافته‌های قبلی، گرادیان ترشوندگی در برگ‌های این گیاه وجود نداشته و بنابراین به‌عنوان یک عامل در جهت یافتگی جریان آب مطرح نمی‌شود. در سوسکی که با عنوان جمع کننده‌ی مه شناخته می‌شود، Onymacris unguicularis، کاهش زبری سطح بال از سمت پشتی بال (شیاردار) به جلوی آن (فاقد شیار و دارای سطح صاف) نشان داده شده است. از طرفی آب به دلیل نحوه‌ی ایستادن سوسک برای جذب مه، از سمت پشت بال به جلوی آن جریان می‌یابد.

سندرم برگ باریک در سال 2007 به‌وسیله‌ی Martorella و Ezcurra مورد بحث قرار گرفت. آن‌ها دریافتند که بازده مهار و جذب مه در برگ‌های باریک‌تر، بیش‌تر است. این‌یافته در موازات یافته‌های Norgaard و Dacke (2010) بود که از میان چهار گونه‌ی سوسک، کوچک‌ترین آن‌ها بیش‌ترین میزان آب را جذب کرده بود و هم‌چنین تحقیقات بعدی Norgaard و همکارانش در سال 2012 که در آن پیشنهاد کرده بودند که وجود لایه‌ی مرزی مشابه و باریک‌تر می‌تواند این حقیقت را توضیح دهد که یک سیم فلزی توانسته بود به همان مقدار آبی که سوسک تپه‌های شنی بوشمان جذب کرده بود، جذب کند. این امر می‌تواند برای ساخت دستگاه‌های مصنوعی برداشت آب از مه به‌عنوان یک نکته‌ی مهم در نظر گرفته شود.

 

4-4- ریزساختارهای شش‌ضلعی
تصاویر SEM گرفته‌شده از سه گونه‌ی مارمولک (Moloch horridus، Phrynocephalus arabicus، Phrynosoma cornutum) به‌وسیله‌ی Commans و همکاران (2011) ، ساختاری مشابه لانه زنبور را نشان داد و آن‌ها این ویژگی را به‌عنوان علت آب‌دوستی ذاتی پوست مارمولک پیشنهاد کردند. سوسک Physosterna Cribripes نیز ساختار شش‌ضلعی مشابهی را نشان می‌دهد. البته ساختار بال سوسک برعکس ساختار پوست مارمولک قرار گرفته است. به این صورت که در سوسک، ناحیه‌ی میانی شش‌ضلعی‌ها برجسته بوده و محل اتصال شش‌ضلعی‌ها به یک‌دیگر فرو رفته است (که در مقاله‌ی Parke و Lawrence قابل مشاهده است). تصاویر SEM تهیه‌شده به‌وسیله‌ی Cetina- Guadarram و همکاران از Physosterna Cribripes، ساختار لانه‌زنبوری را در فرورفتگی‌های دره مانند سطح بال نشان می‌دهد.

با استناد به مطالعه‌ی Commans و همکارانش (2011) ، این ساختار شش‌ضلعی لانه‌زنبوری، زبری سطح را افزایش داده و موجب افزایش چگالش آب می‌گردد. با توجه به نتایج حاصل از مشاهده‌ی بال سوسک، ساختار شش‌ضلعی فرورفتگی‌های دره مانند در سطح بال، عامل اصلی تسریع هسته‌زایی آب در این نواحی بوده است (Cetina- Guadarram و همکاران). هم‌چنین باید به این موضوع توجه داشت که قابلیت هسته‌زایی بالای آب در این نواحی دره مانند می‌تواند از ساختار کلی بال به شکل برجستگی‌ها و فرورفتگی‌ها نشأت گرفته باشد؛ به این صورت که موجب سردتر شدن هوا در فرورفتگی‌ها شده و درنتیجه اثر افزایشی بر هسته‌زایی آب در این نواحی سردتر داشته باشد.

هر دو ساختار شش‌ضلعی مشاهده‌شده بر سطح مارمولک‌ها و سوسک‌ها، بیش از آن‌که بر خواص مدیریت برداشت آب اثر داشته باشند، از نظر بهره‌وری انرژی اهمیت دارند. البته مناسب دیده شد که این موضوع با توجه به اهداف این مطالعه‌ی مروری در اینجا مطرح شود اما در واقع این ساختارها اساساً مشابه یکدیگر نیستند.

 

4-5- مقیاس انواع ساختارهای مدیریت آب
با تجمیع همه‌ی اطلاعات مرتبط و با در نظر گرفتن مقیاس آن‌ها جهت تسهیل مقایسه‌ی این اطلاعات، ساختارهای مشابه یک‌دیگر (شامل ساختارهای شبه‌مخروطی و شیاردار و هم‌چنین ساختارهای شش‌ضلعی) در قالب زیرگروه‌هایی در جدول 4 ارائه شده‌اند.

همان‌طور که مشاهده می‌شود، تمامی شیارها در مقیاس میلی‌متر تا میکرومتر و ساختارهای شش‌ضلعی در محدوده‌ی میکرومتر هستند. صرفاً اطلاعات محدودی از مقیاس ساختارهای مخروطی شکل نیز در مطالعات قبلی موجود بود که ارائه شده‌اند. اگرچه ساختارهای مخروطی شکلی که ارائه شده‌اند در مقیاس میکرومتر بوده‌اند، اما مقیاس خارهای کاکتوس و مخروط‌های تیغ‌مانند پوست مارمولک در محدوده‌ی میلی‌متر هستند.

طرح‌واره‌ای از همگرایی‌های شناخته شده در شکل زیر آمده است (شکل 7 را ببینید). همان‌طور که مشاهده می‌شود، ساختارهای شیاردار و مخروطی شکل محدود به گیاهان یا جانوران نیستند، بلکه در هر دو وجود دارند و به همین ترتیب جریان جهت‌یافته‌ی آب در هر دو گیاهان و جانوران مشاهده می‌شود. ساختارهای شبه‌شش‌ضلعی که پیش‌تر به آن‌ها اشاره شد فقط در جانوران یافت شدند و بنابراین در تأثیر این ساختارها در فرآیند جذب آب تردیدهایی وجود دارد.

در مطالعه‌ای به‌وسیله‌ی Drabble و Drabble (1907) اشاره شده است که جذب آب اتمسفری در گیاهانی که برگ‌های آن‌ها فشار اسمزی بالایی دارد، امکان‌پذیر است. این نکته نیز می‌تواند برای تحقیقات بعدی مد نظر قرار گیرد.

 

5- مفاهیم و ملاحظات
صدها سال است که انسان‌ها با استفاده از توری‌ها، متراکم سازهای هوا، محفظه‌ها (مانند بشکه‌های آب) و سنگ‌ها به جمع‌آوری آب شبنم، مه و باران پرداخته‌اند. البته در چند سال اخیر با به کار بردن علوم مختلف از جمله علم مواد به افزایش بازدهی این توری‌های جذب مه و شبنم (شامل انواع جاذب‌های غیرفعال، فعال و نیمه‌فعال) پرداخته شده است. در این میان تمرکز بیش‌تری بر خواص آب‌گریزی و آب‌دوستی توری‌های جاذب مه وجود داشته است؛ به‌ویژه پس از مقاله‌ی Parker و Lawrence (2001). البته در طول تاریخ، جاذب‌های مه و شبنم موجود در طبیعت تأثیر کمی در آگاهی بخشی برای طراحی این سامانه‌های جذب شبنم و مه داشته‌اند و امیدواریم که این مقاله‌ی مروری با تمرکز بر همبستگی‌های اطلاعاتی که کسب شد، آغازی بر تأثیر آن‌ها در طراحی چنین سامانه‌هایی باشد.

به نظر می‌رسد که جانوران و گیاهانی که در شرایط آب و هوایی سخت از جمله صحرای بسیار خشک نامیبیا، با مه ساحلی و بادهای شدید آن، تکامل یافته‌اند برای زنده ماندن در این شرایط، ویژگی‌های کلیدی برای جذب آب در خود ایجاد کرده‌اند. ناهمواری‌های سطحی که موجب اتصال آب به سطح علف Stipagrostis sabulicola می‌شوند، این اطمینان را ایجاد می‌کنند که قطرات آب جذب‌شده به‌وسیله‌ی بادهای صحرا ربوده نمی‌شود. مشاهده‌ی خطوط جریان باد بر سطح گونه‌های جاذب رطوبت هوا، رازهایی از این اطمینان که آب از سطح جاذب رطوبت ربوده نشود را آشکار خواهد کرد. در زمینه‌ی شبیه‌سازی این اطلاعات و یافته‌های آینده برای ساخت سامانه‌های قابل استفاده‌ی انسانی، باید به‌یاد داشت که ساختار این گونه‌های جانوری و گیاهی در پاسخ به عوامل مختلفی از جمله فرار از شکارچی (و نه صرفاً برای جذب رطوبت هوا) ایجاد شده‌اند.

 

تقدیر و تشکر
این مطالعه با تأمین مالی Fujitsu و حمایت دانشگاه HPC Wales و Swansea اجرا شده است. لازم می‌دانیم که در اینجا از Jennifer Childs بابت بررسی متن از نظر ایرادهای دستوری و هم‌چنین از گروه SCIENTIA، گروه تحقیقاتی چندرشته‌ای در مؤسسه‌ی علوم حیات، بابت حمایت‌های آن‌ها تشکر کنیم.

 

منبع


F T Malik, R M Clement et al., Nature's Moisture Harvesters: a Comparative Review, Bioinspir. Biomim., 9 (2014) 031002 (15pp).