Forskere lærer, hvordan svømmeænder balancerer vandtrykket i deres fjer, mens de dykker

Et team af studerende, der arbejder med Jonathan Boreyko, lektor i maskinteknik hos Virginia Tech, har opdaget den metode, ænder bruger til at suspendere vand i deres fjer, mens de dykker, giver dem mulighed for at ryste det ud, når de kommer på overfladen. Opdagelsen åbner døren for applikationer inden for havteknologi. Resultaterne blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader .

Boreyko har et veletableret arbejde inden for fluidmekanik, herunder opfindelsen af ​​en tågeharpe og brugen af ​​indeholdte, recirkuleret damp som køleanordning. Efterhånden som hans forskning har udviklet sig gennem det sidste årti, mekanikken bag andeaffugtning har været et af hans længstvarende projekter.

"Jeg fik denne idé, da jeg var på Duke University, "sagde Boreyko." Jeg havde en rigtig dårlig parkeringsplads, men min gåtur tog mig lige gennem den naturskønne Duke Gardens. Jeg gik forbi damme med masser af ænder, og jeg lagde mærke til, at når en and kommer op af vandet, de rystede deres fjer og vand ville flyve af sted. Jeg indså, at det, de gjorde, var en afvædningsovergang, frigive vand, der delvist var inde i deres fjer. Det var kimen til ideen. I min forskning, rent tilfældigt, Jeg studerede den samme slags. Jeg indså, at disse overgange kun virker, hvis vandet ikke må komme helt til bunden af ​​den porøse fjerstruktur. "

Boreyko forblev fascineret af, hvordan balancen blev slået, nysgerrig efter de mekanismer, der gør det muligt for en and at holde vand i sine fjer uden at synke helt. Han bragte Farzad Ahmadi ind i sit laboratorium i 2014 som kandidatstuderende, deler den intriger på et af deres tidlige møder. Ahmadi samlede projektet op og dykkede ned i de finere detaljer. Deres første tilgang var enkel - de forsøgte at tvinge en enkelt dråbe vand gennem en naturlig andefjer.

"Det virkede ikke, " sagde Ahmadi. "Så fik vi ideen til at bygge et trykkammer for at tvinge en vandpøl gennem flere lag fjer."

Under pres

Holdet skulle først sikre, at vandet kun kunne trænge direkte gennem fjerene, i modsætning til blot at lække rundt om deres ydre kanter. For at opnå dette, de forseglede en fjer ad gangen, efterlader kun et lille område udsat. Forskerne forseglede hvert lag, efterlader et område blotlagt det samme sted på hver overflade. Dette gjorde det muligt for dem at skabe en søjle af udsatte fjeroverflader opad gennem stakken. En tynd pool af vand blev hældt over den øverste eksponerede overflade. Stakken blev placeret i et trykkammer, og gastryk blev brugt til at presse vandet nedad gennem fjerene. Et kamera blev placeret i bunden for at observere vandet, mens det passerede gennem lagene.

Fjer har mikro-store åbninger i dem, små slots, der tillader vand under tryk at passere igennem. En and, der sidder på overfladen af ​​en dam, støder ikke på noget vandtryk, så vandindtrængningen er ubetydelig. En and, der dykker nedad, imidlertid, støder på en konstant stigning i hydrostatisk tryk, noget velkendt for enhver, der tager et dyk ned i den dybe ende af en pool.

Ahmadi opdagede, at efterhånden som antallet af fjerlag øges, trykket, der kræves for at presse vand gennem alle lagene, skal også stige. Dette etablerer en slags baseline, et maksimalt tryk, op til hvilket fjer holder vandet ind i dem, men lad ikke vandet nå ind til en andes hud.

"Vores hypotese var at bruge flere lag af fjer, så vandet kun kommer delvist, men der er luftlommer under det, " Forklarede Boreyko. "Så længe de luftlommer er til stede, det forhindrer noget, der hedder irreversibel befugtning. Så længe befugtningen kun er delvis, de kan ryste det ud, når de dukker op."

Ahmadi opdagede også, at arter af ænder har en tendens til at have det nøjagtige antal fjerlag, der skal til for at undgå irreversibel befugtning under deres dyk. En gråand, for eksempel, har fire lag fjer. Den maksimale dybde, som en typisk gråand dykker til, svarer til et hydrostatisk tryk, der invaderede en tre-fjer stak, men ikke fire. På denne måde mindst et lag fjer forbliver tørt efter et dyk, lad ænderne ryste vandet ud, når det kommer frem.

Design af syntetiske fjer

Efter at have etableret den grundlæggende mekanik for and-affugtning, Boreykos team satte sig for at skabe et syntetisk materiale, der fungerer på samme måde. Holdet lavede bio-inspirerede fjer af et tyndt ark aluminiumsfolie, laserskærer en række slidser en tiendedel af en millimeter brede for at efterligne modhagerne af en andefjer. De genskabte også fjerens behårede nanostruktur ved at tilføje en aluminiumsnanostruktur til aluminiumstængerne.

De syntetiske fjer gav næsten identiske resultater under test, en ære for styrken i naturens design. Anvendelse og skalering af denne teknologi er et logisk næste skridt for Boreyko, og han har et par ideer.

Denne lageffekt kan være nyttig til at fange luftlommer i afsaltningsmembraner, mekanismer, der fjerner salt fra havvand. Boreyko mener også, at der er potentiale for at anvende lagdelte syntetiske fjer på ydersiden af ​​en båd, at få båden til at rejse lettere gennem vandet og mindske mængden af ​​havbarkellignende organismer, der klæber sig til skroget.

"Hvis vi tænker på et skib, der bevæger sig over vandet som en konstrueret fugl, lige nu svømmer den nøgen, " siger Boreyko. "Vi spekulerer på, om beklædning af skibet i fjer kunne give de samme forbedringer, som vandfugle har gavn af."