Een team van studenten dat samenwerkt met Jonathan Boreyko, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Virginia Tech, heeft de methode ontdekt die eenden gebruiken om water in hun veren te laten zweven tijdens het duiken, waardoor ze het eruit kunnen schudden wanneer ze naar boven komen. De ontdekking opent de deur voor toepassingen in maritieme technologie. Bevindingen werden gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces .

Boreyko heeft een gerenommeerd oeuvre op het gebied van vloeistofmechanica, inclusief de uitvinding van een mistharp en het gebruik van ingesloten, gerecirculeerde stoom als koelapparaat. Naarmate zijn onderzoek het afgelopen decennium vorderde, de mechanica van het ontvochtigen van eenden is een van zijn langstlopende projecten.

"Ik kreeg dit idee toen ik aan de Duke University zat, " zei Boreyko. "Ik had een heel slechte parkeerplaats, maar mijn wandeling bracht me dwars door de schilderachtige Duke Gardens. Ik kwam langs vijvers met veel eenden, en ik merkte dat als een eend uit het water komt, ze zouden met hun veren schudden en het water zou wegvliegen. Ik realiseerde me dat wat ze aan het doen waren een ontvochtigende overgang was, water vrijgeven dat gedeeltelijk in hun veren zat. Dat was de kiem van het idee. In mijn onderzoek, puur toeval, Ik studeerde hetzelfde soort dingen. Ik realiseerde me dat deze overgangen alleen werken als het water niet helemaal tot aan de onderkant van de poreuze veerstructuur kan komen."

Boreyko bleef geïntrigeerd door hoe de balans werd gevonden, nieuwsgierig naar de mechanismen waarmee een eend water in zijn veren kan houden zonder helemaal weg te zinken. Hij bracht Farzad Ahmadi in 2014 als afgestudeerde student naar zijn laboratorium, het delen van die intriges in een van hun vroege ontmoetingen. Ahmadi pakte het project op en dook in de fijnere details. Hun eerste benadering was eenvoudig:ze probeerden een enkele druppel water door een natuurlijke eendenveer te persen.

"Het lukte niet, "zei Ahmadi. "Toen kwamen we op het idee om een ​​drukkamer te bouwen om een ​​plas water door verschillende lagen veren te persen."

Onder druk

Het team moest er eerst voor zorgen dat het water alleen rechtstreeks door de veren kon dringen, in tegenstelling tot gewoon lekken rond hun buitenranden. Om dit te behalen, ze verzegelden een veer per keer, waardoor slechts een klein gebied wordt blootgesteld. De onderzoekers verzegelden elke laag, waardoor een gebied op dezelfde plaats op elk oppervlak wordt blootgesteld. Hierdoor konden ze een kolom van blootgestelde veeroppervlakken naar boven door de stapel creëren. Een dunne plas water werd over het bovenste blootgestelde oppervlak gegoten. De stapel werd in een drukkamer geplaatst, en er werd gasdruk gebruikt om het water door de veren naar beneden te duwen. Op de bodem werd een camera geplaatst om het water te observeren terwijl het door de lagen stroomde.

Veren hebben kleine openingen erin, kleine sleuven die water onder druk doorlaten. Een eend die op het oppervlak van een vijver zit, ondervindt geen waterdruk, dus de waterpenetratie is verwaarloosbaar. Een eend die naar beneden duikt, echter, ondervindt een gestage toename van de hydrostatische druk, iets bekends voor iedereen die een duik neemt in het diepe einde van een zwembad.

Ahmadi ontdekte dat naarmate het aantal verenlagen toeneemt, de druk die nodig is om water door alle lagen te duwen moet ook toenemen. Dit vormt een soort basislijn, een maximale druk tot waar veren het water vasthouden dat ze binnenkomt, maar laat het water niet in de huid van een eend komen.

"Onze hypothese was om meerdere lagen veren te gebruiken, zodat het water maar gedeeltelijk komt, maar daaronder zitten luchtbellen, " legde Boreyko uit. "Zolang die luchtbellen aanwezig zijn, het voorkomt iets dat onomkeerbare bevochtiging wordt genoemd. Zolang de bevochtiging slechts gedeeltelijk is, ze kunnen het eruit schudden als ze aan de oppervlakte komen."

Ahmadi ontdekte ook dat soorten eenden de neiging hebben om het exacte aantal verenlagen te hebben die nodig zijn om onomkeerbare bevochtiging tijdens hun duiken te voorkomen. een wilde eend, bijvoorbeeld, heeft vier lagen veren. De maximale diepte tot waar een typische wilde eend duikt, komt overeen met een hydrostatische druk die een stapel van drie veren binnendrong, maar niet vier. Op deze manier, ten minste één laag veren blijft droog na een duik, zodat de eend het water eruit kan schudden wanneer het tevoorschijn komt.

Synthetische veren ontwerpen

Nadat de fundamentele mechanica van het ontvochtigen van eenden is vastgesteld, Het team van Boreyko wilde een synthetisch materiaal maken dat op een vergelijkbare manier werkt. Het team maakte bio-geïnspireerde veren van een dun vel aluminiumfolie, lasersnijden van een reeks sleuven van een tiende van een millimeter breed om de baardjes van een eendenveer na te bootsen. Ze creëerden ook de harige nanostructuur van veren door een aluminium nanostructuur aan de aluminium baardjes toe te voegen.

De synthetische veren gaven bijna identieke resultaten tijdens het testen, een eerbetoon aan de kracht van het ontwerp van de natuur. Toepassing en opschaling van deze technologie is een logische volgende stap voor Boreyko, en hij heeft een paar ideeën.

Dit laageffect kan nuttig zijn voor het opsluiten van luchtzakken in ontziltingsmembranen, mechanismen die zout uit zeewater verwijderen. Boreyko denkt ook dat er mogelijkheden zijn voor het aanbrengen van gelaagde synthetische veren aan de buitenkant van een boot, om de boot gemakkelijker door het water te laten reizen en de hoeveelheid zeepokkenachtige organismen die zich aan de romp vastklampen te verminderen.

"Als we denken aan een schip dat over het water beweegt als een gemanipuleerde vogel, nu zwemt het naakt, " zegt Boreyko. "We vragen ons af of het schip in veren kleden dezelfde verbeteringen kan geven als watervogels."