Come un uccello africano potrebbe ispirare una bottiglia d'acqua migliore

Un primo piano estremo delle piume di un uccello con una straordinaria capacità di trattenere l’acqua mentre vola potrebbe ispirare la prossima generazione di materiali assorbenti.

Con microscopi ad alta risoluzione e tecnologia 3D, i ricercatori della Johns Hopkins University e del Massachusetts Institute of Technology hanno catturato una visione senza precedenti delle piume dei sandgrouse che vivono nel deserto, mostrando la singolare architettura delle loro piume e rivelando per la prima volta come possano contenere così tanto acqua.

"È estremamente affascinante vedere come la natura sia riuscita a creare strutture così perfettamente efficienti da assorbire e trattenere l'acqua", ha affermato il coautore Jochen Mueller, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria civile e dei sistemi della Johns Hopkins, specializzato in materiali intelligenti e progetto. “Dal punto di vista ingegneristico, riteniamo che i risultati potrebbero portare a nuove creazioni di ispirazione biologica”.

L'opera è pubblicatanell'interfaccia della Royal Society.

I sandgrouse che si trovano nei deserti africani in genere nidificano a circa 20 miglia dalle pozze d'acqua per stare al sicuro dai predatori. Per portare l'acqua a casa ai pulcini assetati, i maschi adulti eseguono uno dei migliori esempi della natura, raccogliendo acqua e volando a casa con essa, un'impresa resa ancora più straordinaria considerando che il sandgrouse trattiene circa il 15% del suo peso corporeo in acqua. e mantenerne la maggior parte al sicuro durante un volo di ritorno a circa 40 miglia orarie che dura circa mezz'ora.

I maschi di gallo cedrone sono gli unici uccelli noti a trattenere l'acqua in questo modo: le loro piume del ventre appositamente adattate sono la chiave.

Altri ricercatori documentarono per la prima volta queste straordinarie penne del ventre più di 50 anni fa. Ma solo ora, con la tecnologia moderna, il team può finalmente dimostrare come funzionano le piume.

Mueller e l'ingegnere del MIT Lorna J. Gibson si sono concentrati sulla microstruttura delle penne del ventre utilizzando la microscopia elettronica a scansione, la tomografia microcomputerizzata, la microscopia ottica e la videografia 3D, osservando da vicino i fusti, ciascuno solo una frazione della larghezza di un capello umano, e le singole barbule ancora più piccole.

Il team ha ingrandito notevolmente le piume, osservandole sia asciutte che bagnate. Poi, con una mossa tanto delicata quanto cruciale, mentre venivano ingrandite, le piume secche venivano immerse nell'acqua, estratte e poi nuovamente sommerse, proprio come un sandgrouse in un abbeveratoio.

"Quando fai quel tipo di lavoro, non riesci nemmeno a respirare, altrimenti lo spazzi via", ha detto Mueller.

Mueller ha descritto la struttura delle singole piume come “magnifica”, con componenti ottimizzati in diversi modi per trattenere e trattenere l’acqua, compreso il modo in cui si piegano, il modo in cui le barbule formano grappoli protettivi simili a tende quando sono bagnate e il modo in cui le strutture tubolari all’interno di ciascuna barbula catturano l’acqua.

Le singole piume trattenevano l'acqua attraverso una foresta di barbule vicino al fusto, lavorando insieme alle barbule arricciate vicino alla punta agendo quasi come cappucci.

"Questo è ciò che ci ha entusiasmato, vedere quel livello di dettaglio", ha detto Mueller. “Questo è ciò che dobbiamo capire per poter utilizzare questi principi per creare nuovi materiali”.

Il team ha anche modellato computazionalmente l’assunzione di acqua da parte delle piume.

Mueller e Gibson prevedono che le loro scoperte supporteranno futuri progetti ingegneristici che richiedono assorbimento controllato, ritenzione sicura e facile rilascio dei liquidi.

Le possibili applicazioni includono la progettazione di reti per la raccolta e il trattenimento dell'acqua dalla nebbia e dalla rugiada nelle regioni desertiche; e una bottiglia d'acqua progettata per evitare fastidiose oscillazioni e sbandamenti.

Per la bottiglia d'acqua o lo zaino sportivo, sta pensando a un design che contenga in modo sicuro molti liquidi, ma includa un sistema interno simile a una piuma che impedisce all'acqua di oscillare mentre qualcuno si muove con essa. Pensa che uno zaino idrico o una sacca idrica in grado di fare questo sarebbe particolarmente apprezzato dai corridori.

Immagina anche tamponi medici di livello successivo che siano più facili da usare, "dove puoi assorbire in modo efficiente il liquido, ma è molto più facile rilasciarlo", dice, aggiungendo che la funzione di rilascio era un problema per la raccolta dei test nasali per il COVID-19. campioni durante la pandemia.