Un equipo de estudiantes que trabaja con Jonathan Boreyko, profesor asociado de ingeniería mecánica en Virginia Tech, ha descubierto el método que utilizan los patos para suspender el agua en sus plumas mientras bucean, permitiéndoles sacudirlo al salir a la superficie. El descubrimiento abre la puerta a aplicaciones en tecnología marina. Los resultados se publicaron en Interfaces y materiales aplicados ACS .

Boreyko tiene un cuerpo de trabajo bien establecido en el área de mecánica de fluidos, incluyendo la invención de un arpa de niebla y el uso de contenido, vapor recirculado como dispositivo de enfriamiento. A medida que su investigación ha progresado a lo largo de la última década, la mecánica del deshumedecimiento de los patos ha sido uno de sus proyectos de mayor duración.

"Tuve esta idea cuando estaba en la Universidad de Duke, ", dijo Boreyko." Tenía un lugar de estacionamiento muy malo, pero mi paseo me llevó directamente a través de los pintorescos Duke Gardens. Pasé por estanques con muchos patos, y noté que cuando sale un pato del agua, se sacudían las plumas y el agua volaba. Me di cuenta de que lo que estaban haciendo era una transición de deshumectación, liberando agua que estaba parcialmente dentro de sus plumas. Ese fue el germen de la idea. En mi investigación, pura coincidencia, Estaba estudiando el mismo tipo de cosas. Me di cuenta de que estas transiciones funcionan solo si no se permite que el agua llegue hasta el fondo de la estructura porosa de las plumas ".

Boreyko quedó intrigado por cómo se logró el equilibrio, curioso por los mecanismos que permiten a un pato retener agua en sus plumas sin hundirse por completo. Llevó a Farzad Ahmadi a su laboratorio en 2014 como estudiante de posgrado, compartiendo esa intriga en una de sus primeras reuniones. Ahmadi retomó el proyecto y se sumergió en los detalles más finos. Su primer enfoque fue simple:intentaron forzar una sola gota de agua a través de una pluma de pato natural.

"No funcionó, ", dijo Ahmadi." Entonces tuvimos la idea de construir una cámara de presión para forzar un charco de agua a través de varias capas de plumas ".

Bajo presión

El equipo primero necesitaba asegurarse de que el agua solo pudiera penetrar directamente a través de las plumas, en lugar de simplemente gotear alrededor de sus bordes exteriores. Lograr esto, sellaron una pluma a la vez, dejando solo una pequeña área expuesta. Los investigadores sellaron cada capa, dejando un área expuesta en el mismo lugar en cada superficie. Esto les permitió crear una columna de superficies de plumas expuestas hacia arriba a través de la pila. Se vertió un charco de agua sobre la superficie expuesta superior. La pila se colocó en una cámara de presión, y se utilizó presión de gas para empujar el agua hacia abajo a través de las plumas. Se colocó una cámara en la parte inferior para observar el paso del agua a través de las capas.

Las plumas tienen aberturas de tamaño micro en ellas, pequeñas ranuras que permiten el paso del agua a presión. Un pato sentado en la superficie de un estanque no encuentra presión de agua, por lo que la penetración de agua es insignificante. Un pato zambulléndose hacia abajo sin embargo, encuentra un aumento constante de la presión hidrostática, algo familiar para cualquiera que se sumerja en el fondo de una piscina.

Ahmadi descubrió que a medida que aumenta el número de capas de plumas, La presión necesaria para empujar el agua a través de todas las capas también debe aumentar. Esto establece una especie de línea de base, una presión máxima hasta la que las plumas retienen el agua que entra en ellas, pero no permita que el agua llegue a la piel de un pato.

"Nuestra hipótesis era utilizar varias capas de plumas para que el agua solo llegara en parte, pero hay bolsas de aire debajo de eso, "Explicó Boreyko." Mientras esas bolsas de aire estén presentes, previene algo llamado mojado irreversible. Siempre que la humectación sea solo parcial, pueden sacudirlo cuando salen a la superficie ".

Ahmadi también descubrió que las especies de patos tienden a tener el número exacto de capas de plumas necesarias para evitar una humectación irreversible durante sus inmersiones. Un pato real, por ejemplo, tiene cuatro capas de plumas. La profundidad máxima a la que se sumerge un ánade real típico corresponde a una presión hidrostática que invadió una pila de tres plumas pero no cuatro. De este modo, al menos una capa de plumas permanece seca después de una inmersión, permitiendo que el pato sacuda el agua cuando emerge.

Diseñar plumas sintéticas

Habiendo establecido la mecánica fundamental del deshumedecimiento de patos, El equipo de Boreyko se propuso crear un material sintético que funciona de manera similar. El equipo hizo plumas de inspiración biológica a partir de una fina hoja de papel de aluminio, cortando con láser una serie de ranuras de una décima de milímetro de ancho para imitar las bárbulas de una pluma de pato. También recrearon la nanoestructura peluda de las plumas agregando una nanoestructura de aluminio a las bárbulas de aluminio.

Las plumas sintéticas produjeron resultados casi idénticos durante las pruebas. un crédito a la fuerza del diseño de la naturaleza. La aplicación y el escalado de esta tecnología es el siguiente paso lógico para Boreyko, y tiene algunas ideas.

Este efecto de capa puede ser útil para atrapar bolsas de aire en las membranas de desalinización, Mecanismos que eliminan la sal del agua de mar. Boreyko también cree que existe la posibilidad de aplicar capas de plumas sintéticas al exterior de un barco. para hacer que la embarcación viaje más fácilmente a través del agua y reducir la cantidad de organismos parecidos a percebes que se adhieren al casco.

"Si pensamos en un barco que se mueve sobre el agua como un pájaro diseñado, ahora mismo está nadando desnudo, "Dice Boreyko." Nos preguntamos si vestir el barco con plumas podría impartir las mismas mejoras de las que se benefician las aves acuáticas ".