Un team di studenti che lavora con Jonathan Boreyko, professore associato in ingegneria meccanica presso Virginia Tech, ha scoperto il metodo che usano le anatre per sospendere l'acqua nelle loro piume durante le immersioni, permettendo loro di scuoterlo quando affiorano. La scoperta apre le porte ad applicazioni nella tecnologia marina. I risultati sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS .

Boreyko ha una consolidata opera nell'area della meccanica dei fluidi, compresa l'invenzione di un'arpa da nebbia e l'uso di contenuti, ricircolo del vapore come dispositivo di raffreddamento. Poiché la sua ricerca è progredita nel corso dell'ultimo decennio, la meccanica della deumidificazione dell'anatra è stato uno dei suoi progetti più longevi.

"Ho avuto questa idea quando ero alla Duke University, " ha detto Boreyko. "Ho avuto un brutto parcheggio, ma la mia passeggiata mi ha portato proprio attraverso i pittoreschi Duke Gardens. Sono passato da stagni con un sacco di anatre, e ho notato che quando un'anatra esce dall'acqua, scuoterebbero le piume e l'acqua volerebbe via. Mi sono reso conto che quello che stavano facendo era una transizione di deumidificazione, rilasciando acqua che era parzialmente all'interno delle loro piume. Questo era il germe dell'idea. Nella mia ricerca, puramente per coincidenza, Stavo studiando lo stesso genere di cose. Mi sono reso conto che queste transizioni funzionano solo se l'acqua non può raggiungere il fondo della struttura porosa della piuma".

Boreyko è rimasto incuriosito da come è stato raggiunto l'equilibrio, curioso dei meccanismi che permettono a un'anatra di trattenere l'acqua tra le piume senza affondare completamente. Ha portato Farzad Ahmadi nel suo laboratorio nel 2014 come studente laureato, condividendo quell'intrigo in uno dei loro primi incontri. Ahmadi ha raccolto il progetto e si è immerso nei dettagli più fini. Il loro primo approccio è stato semplice:hanno tentato di forzare una singola goccia d'acqua attraverso una piuma d'anatra naturale.

"Non ha funzionato, " ha detto Ahmadi. "Poi abbiamo avuto l'idea di costruire una camera a pressione per forzare una pozza d'acqua attraverso diversi strati di piume".

Sotto pressione

Il team doveva prima assicurarsi che l'acqua potesse penetrare direttamente solo attraverso le piume, invece di semplicemente fuoriuscire dai bordi esterni. Per realizzare questo, hanno sigillato una piuma alla volta, lasciando esposta solo una piccola area. I ricercatori hanno sigillato ogni strato, lasciando un'area esposta nello stesso punto su ogni superficie. Ciò ha permesso loro di creare una colonna di superfici di piume esposte verso l'alto attraverso la pila. Una sottile pozza d'acqua è stata versata sulla superficie superiore esposta. La pila è stata posta in una camera a pressione, e la pressione del gas veniva impiegata per spingere l'acqua verso il basso attraverso le piume. Sul fondo è stata posizionata una telecamera per osservare l'acqua mentre attraversava gli strati.

Le piume hanno aperture di micro-dimensioni in esse, minuscole fessure che consentono il passaggio dell'acqua in pressione. Un'anatra seduta sulla superficie di uno stagno non sta incontrando alcuna pressione dell'acqua, quindi la penetrazione dell'acqua è trascurabile. Un'anatra che si tuffa verso il basso, però, incontra un costante aumento della pressione idrostatica, qualcosa di familiare a chiunque si tuffi nelle profondità di una piscina.

Ahmadi ha scoperto che con l'aumentare del numero di strati di piume, anche la pressione necessaria per spingere l'acqua attraverso tutti gli strati deve aumentare. Questo stabilisce una sorta di linea di base, una pressione massima fino alla quale le piume trattengono l'acqua che le entra, ma non lasciare che l'acqua raggiunga la pelle di un'anatra.

"La nostra ipotesi era di utilizzare più strati di piume in modo che l'acqua arrivasse solo in parte, ma ci sono sacche d'aria sotto quello, " ha spiegato Boreyko. "Finché quelle sacche d'aria sono presenti, impedisce qualcosa chiamato bagnatura irreversibile. Finché la bagnatura è solo parziale, possono scuoterlo quando emergono."

Ahmadi ha anche scoperto che le specie di anatre tendono ad avere il numero esatto di strati di piume necessari per evitare bagnature irreversibili durante le loro immersioni. un germano reale, ad esempio, ha quattro strati di piume. La profondità massima a cui si immerge un tipico germano reale corrisponde a una pressione idrostatica che ha invaso una pila di tre piume ma non quattro. In questo modo, almeno uno strato di piume rimane asciutto dopo un'immersione, permettendo all'anatra di scuotere l'acqua quando emerge.

Disegnare piume sintetiche

Avendo stabilito i meccanismi fondamentali della deumidificazione dell'anatra, Il team di Boreyko ha deciso di creare un materiale sintetico che funzioni in modo simile. Il team ha realizzato piume di ispirazione biologica da un sottile foglio di foglio di alluminio, laser tagliando una serie di fessure larghe un decimo di millimetro per imitare le barbule di una piuma d'anatra. Hanno anche ricreato la nanostruttura pelosa delle piume aggiungendo una nanostruttura di alluminio alle barbule di alluminio.

Le piume sintetiche hanno prodotto risultati quasi identici durante i test, un credito alla forza del disegno della natura. L'applicazione e il ridimensionamento di questa tecnologia sono un logico passo successivo per Boreyko, e ha alcune idee.

Questo effetto a strati può essere utile per intrappolare sacche d'aria nelle membrane di desalinizzazione, meccanismi che rimuovono il sale dall'acqua di mare. Boreyko pensa anche che ci sia il potenziale per applicare piume sintetiche a strati all'esterno di una barca, per far viaggiare la barca più facilmente nell'acqua e ridurre la quantità di organismi simili a cirripedi che si aggrappano allo scafo.

"Se pensiamo a una nave che si muove sull'acqua come un uccello ingegnerizzato, in questo momento sta nuotando nudo, "Dice Boreyko. "Ci chiediamo se rivestire la nave di piume potrebbe conferire gli stessi miglioramenti di cui beneficiano gli uccelli acquatici".