Une équipe d'étudiants travaillant avec Jonathan Boreyko, professeur agrégé en génie mécanique à Virginia Tech, a découvert la méthode utilisée par les canards pour suspendre l'eau dans leurs plumes en plongeant, leur permettant de le secouer lors de la surface. La découverte ouvre la porte à des applications en technologie marine. Les résultats ont été publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Boreyko possède un corpus bien établi dans le domaine de la mécanique des fluides, y compris l'invention d'une harpe de brume et l'utilisation de contenus, vapeur recirculée comme dispositif de refroidissement. Au fur et à mesure que ses recherches ont progressé au cours de la dernière décennie, la mécanique du déshumidification du canard a été l'un de ses projets les plus anciens.

"J'ai eu cette idée quand j'étais à Duke University, " a déclaré Boreyko. " J'avais une très mauvaise place de parking, mais ma promenade m'a conduit à travers les pittoresques jardins Duke. Je suis passé devant des étangs avec plein de canards, et j'ai remarqué que lorsqu'un canard sort de l'eau, ils secouaient leurs plumes et l'eau s'envolait. J'ai réalisé que ce qu'ils faisaient était une transition de déshumidification, libérant de l'eau qui était partiellement à l'intérieur de leurs plumes. C'était le germe de l'idée. Dans mes recherches, par pure coïncidence, J'étudiais le même genre de chose. J'ai réalisé que ces transitions ne fonctionnent que si l'eau n'est pas autorisée à atteindre le fond de la structure poreuse de la plume."

Boreyko est resté intrigué par la façon dont l'équilibre a été trouvé, curieux des mécanismes qui permettent à un canard de retenir l'eau dans ses plumes sans couler complètement. Il a amené Farzad Ahmadi dans son laboratoire en 2014 en tant qu'étudiant diplômé, partageant cette intrigue dans l'une de leurs premières réunions. Ahmadi a repris le projet et s'est plongé dans les moindres détails. Leur première approche était simple :ils ont tenté de forcer une seule goutte d'eau à travers une plume de canard naturelle.

"Ça n'a pas marché, " a déclaré Ahmadi. " Ensuite, nous avons eu l'idée de construire une chambre de pression pour forcer une piscine d'eau à travers plusieurs couches de plumes. "

Sous pression

L'équipe devait d'abord s'assurer que l'eau ne pouvait pénétrer que directement à travers les plumes, au lieu de simplement fuir autour de leurs bords extérieurs. Pour y parvenir, ils ont scellé une plume à la fois, ne laissant qu'une petite zone exposée. Les chercheurs ont scellé chaque couche, laissant une zone exposée au même endroit sur chaque surface. Cela leur a permis de créer une colonne de surfaces de plumes exposées vers le haut à travers la pile. Une mince flaque d'eau a été versée sur la surface supérieure exposée. La pile a été placée dans une chambre de pression, et la pression du gaz a été utilisée pour pousser l'eau vers le bas à travers les plumes. Une caméra a été placée au fond pour observer l'eau alors qu'elle traversait les couches.

Les plumes ont des ouvertures microscopiques, minuscules fentes qui laissent passer l'eau sous pression. Un canard assis à la surface d'un étang ne rencontre aucune pression d'eau, la pénétration de l'eau est donc négligeable. Un canard plongeant vers le bas, cependant, rencontre une augmentation constante de la pression hydrostatique, quelque chose de familier à quiconque plonge dans les profondeurs d'une piscine.

Ahmadi a découvert qu'à mesure que le nombre de couches de plumes augmente, la pression nécessaire pour pousser l'eau à travers toutes les couches doit également augmenter. Cela établit une sorte de ligne de base, une pression maximale jusqu'à laquelle les plumes retiennent l'eau qui y pénètre, mais ne laissez pas l'eau atteindre la peau d'un canard.

"Notre hypothèse était d'utiliser plusieurs couches de plumes pour que l'eau n'arrive qu'en partie, mais il y a des poches d'air en dessous, " expliqua Boreyko. " Tant que ces poches d'air sont présentes, il empêche ce qu'on appelle le mouillage irréversible. Tant que le mouillage n'est que partiel, ils peuvent le secouer quand ils font surface."

Ahmadi a également découvert que les espèces de canards ont tendance à avoir le nombre exact de couches de plumes nécessaires pour éviter un mouillage irréversible pendant leurs plongées. Un colvert, par exemple, a quatre couches de plumes. La profondeur maximale à laquelle plonge un canard colvert typique correspond à une pression hydrostatique qui a envahi un empilement de trois plumes mais pas quatre. De cette façon, au moins une couche de plumes reste sèche après une plongée, permettant au canard de secouer l'eau lorsqu'elle sort.

Concevoir des plumes synthétiques

Ayant établi les mécanismes fondamentaux du déshumidification du canard, L'équipe de Boreyko a entrepris de créer un matériau synthétique qui fonctionne de manière similaire. L'équipe a fabriqué des plumes bio-inspirées à partir d'une fine feuille de papier d'aluminium, découpe au laser un ensemble de fentes d'un dixième de millimètre de large pour imiter les barbules d'une plume de canard. Ils ont également recréé la nanostructure velue des plumes en ajoutant une nanostructure en aluminium aux barbules en aluminium.

Les plumes synthétiques ont produit des résultats presque identiques lors des tests, un crédit à la force de la conception de la nature. L'application et la mise à l'échelle de cette technologie est une prochaine étape logique pour Boreyko, et il a quelques idées.

Cet effet de couche peut être utile pour piéger les poches d'air dans les membranes de dessalement, mécanismes qui éliminent le sel de l'eau de mer. Boreyko pense également qu'il est possible d'appliquer des plumes synthétiques en couches à l'extérieur d'un bateau, pour que le bateau se déplace plus facilement dans l'eau et réduise la quantité d'organismes ressemblant à des balanes qui s'accrochent à la coque.

"Si nous considérons un navire se déplaçant sur l'eau comme un oiseau artificiel, en ce moment il nage nu, " dit Boreyko. " Nous nous demandons si le fait de revêtir le navire de plumes pourrait apporter les mêmes améliorations dont bénéficient les oiseaux aquatiques. "