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羽毛中暗藏玄机?小鸭子是天生的物理学大师

phys.org网站当地时间6月2日报道,弗吉尼亚理工大学机械工程副教授Jonathan Boreyko领导的团队揭示了小鸭子潜水时的羽毛排水机制。该发现为一系列海洋技术应用奠定了基础。相关研究成果刊登在《ACS应用材料与界面》杂志中。

常在水面游,却能不湿身。小鸭子有自己的独门“排水神功”。

Boreyko说:“我发现鸭子从水里钻出来后,会抖动羽毛,甩掉水珠。我意识到,它们这样做的目的是去湿,释放部分藏在羽毛内部的水分。值得注意的是,只有当水无法抵达多孔羽毛结构的底部时,鸭子的排水功才会起作用。”

Boreyko对小鸭子平衡羽毛水压的机制非常感兴趣,他与研究生Farzad Ahmadi分析了其中的细节。他们设计的第一个实验很简单:让一滴水穿过一根天然羽毛。但这次尝试以失败告终。第二次,他们采用特殊的方式堆叠、封存了羽毛,创建了一列暴露的羽毛表面。随后,他们用气体压力推动池水向下穿过羽毛层。羽毛上有微小的开孔,这些小孔能让加压水通过。鸭子浮在水面上时不会受到任何水压作用,因此水的渗透力是可以忽略的。然而,鸭子在下潜过程中经受的静水压力会稳定增加。Ahmadi发现,随着羽毛层数的增加,驱动水通过所有羽毛层的压力也必须随之增加。这确立了一个最大压力值,在这一压力值下,鸭子的羽毛能阻挡水接触到它的皮肤。Boreyko说:“我们在假设中使用了多层羽毛,这样水只能部分进入,但在羽毛下方还有气袋,只要这些气袋存在,就能防止不可逆润湿效应。而只要润湿是局部的,鸭子就能在浮出水面之后抖掉水分。”

Ahmadi还发现,为了避免不可逆润湿,许多鸭子的羽毛层数都十分“讲究”。例如,野鸭有四层羽毛,而它的最大潜水深度对应于三层羽毛可承受的静水压力。这意味着,野鸭在潜水后至少会留有一层羽毛保持干燥,以保证自己在浮出水面后能及时去湿。

在了解了鸭子去湿的基本机制后,Boreyko团队开始着手制造类似的合成材料。他们先用铝箔制造出仿生羽毛,然后用激光切割出一排0.1毫米宽的槽,以模仿鸭子羽毛的羽管。最后,他们在仿生羽毛上引入了铝纳米结构,重新打造了天然羽毛般“毛茸茸”的纳米结构。人造羽毛在测试中展现出了几乎相同的性能。

Boreyko表示,人造羽毛的层效应可能有助于在脱盐膜中捕获气袋。而将人造羽毛结构应用于船体外部,既能使船更易于在水中航行,还能减少附着的藤壶类生物数量。Boreyko说:“如果说船只是一只工程鸟,那么它们现在几乎是在‘裸泳’。为船只披上人造羽毛,是否能让它们受益?这是我们的探索重点。”

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编译:德克斯特 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《ACS应用材料与界面》

期刊编号:1944-8244

原文链接:https://phys.org/news/2021-06-ducks-pressure-feathers.html

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