Un equipo de estudiantes que trabaja con Jonathan Boreyko, profesor asociado de ingeniería mecánica en Virginia Tech, ha descubierto el método que usan los patos para suspender el agua en sus plumas mientras bucean, lo que les permite sacudirla al salir a la superficie. El descubrimiento abre la puerta aaplicaciones en tecnología marina. Los resultados se publicaron en ACS Applied Materials & Interfaces.
Boreyko tiene un cuerpo de trabajo bien establecido en el área de la mecánica de fluidos, incluida la invención de un arpa de niebla y el uso de vapor recirculado contenido como dispositivo de enfriamiento. A medida que su investigación ha progresado a lo largo de la última década, la mecánicade deshumedecimiento de 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 realmente malo, pero mi caminata me llevó directamente a través de los pintorescos Duke Gardens. Pasé por estanques con muchos patos, ynoté que cuando un pato salía del agua, sacudían sus plumas y el agua salía volando. Me di cuenta de que lo que estaban haciendo era una transición de deshumedecimiento, liberando agua que estaba parcialmente dentro de sus plumas. Ese era elgermen de la idea. En mi investigación, por 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 permaneció intrigado por cómo se logró el equilibrio, curioso acerca de los mecanismos que permiten a un pato retener el 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 uno de losAhmadi tomó 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 filtrarse alrededor de sus bordes externos. Para lograr esto, sellaron una pluma a la vez, dejando solo un área pequeña expuesta. Los investigadores sellaroncada 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 una fina piscina de agua sobre la superficie expuesta superior. La pila se colocó en uncámara de presión, y se empleó 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 agua a medida que pasaba a través de las capas.
Las plumas tienen aberturas de tamaño micro, ranuras diminutas que permiten el paso del agua a presión. Un pato sentado en la superficie de un estanque no encuentra ninguna presión de agua, por lo que la penetración del agua es insignificante. Un pato se zambulle hacia abajo,sin embargo, se encuentra con un aumento constante de la presión hidrostática, algo familiar para cualquiera que se sumerja en el extremo profundo 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 cual las plumas retienen el agua que entra en ellas, pero nodeje que el agua llegue a la piel de un pato.
"Nuestra hipótesis era usar múltiples capas de plumas para que el agua solo llegara en parte, pero hay bolsas de aire debajo de eso", explicó Boreyko. "Siempre que esas bolsas de aire estén presentes, evita algo llamado mojado irreversible. Siempre que el mojado sea solo parcial, pueden sacudirlo cuando salgan a la superficie ".
Ahmadi también descubrió que las especies de patos tienden a tener el número exacto de capas de plumas necesarias para evitar un mojado irreversible durante sus inmersiones. Un ánade real, por ejemplo, tiene cuatro capas de plumas. La profundidad máxima a la que un ánade real típico se sumerge corresponde auna presión hidrostática que invadió una pila de tres plumas pero no cuatro. De esta manera, al menos una capa de plumas permanece seca después de una inmersión, lo que permite que el pato sacuda el agua cuando emerge.
Diseño de plumas sintéticas
Habiendo establecido la mecánica fundamental del deshumedecimiento de los 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 ranurasuna décima de milímetro de ancho para imitar las bárbulas de una pluma de pato. También recrearon la nanoestructura peluda de las plumas añadiendo una nanoestructura de aluminio a las bárbulas de aluminio.
Las plumas sintéticas produjeron resultados casi idénticos durante las pruebas, un crédito a la solidez del diseño de la naturaleza. La aplicación y el escalado de esta tecnología es el siguiente paso lógico para Boreyko, y él 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 una embarcación, para hacer que la embarcación viaje más fácilmente a través del agua de mar.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".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Tecnología de Virginia . Original escrito por Alex Parrish. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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