Excelentes nadadores, os patos em seu processo evolutivo conquistaram estratégias que os impedem de ficar molhados. Agora, os engenheiros da Virginia Tech investigaram a física por trás de como eles funcionam e desenvolveram penas sintéticas de pato que podem ajudar os navios a deslizarem pela água com mais facilidade.
As penas de pato repelem água a partir de alguns recursos trabalhando em conjunto. Por um lado, os patos espalham óleo produzido em uma glândula especial, o que faz a água formar gotículas e rolar para fora. Mas a estrutura em microescala das penas também desempenha um papel fundamental, prendendo o ar que mantém a água longe da pele da ave. Foi neste último ponto que os engenheiros, num trabalho de biomimética, basearam-se para desenvolverem as penas sintéticas de pato. A pesquisa foi publicada na revista ACS Applied Materials & Interfaces.
O pesquisador Jonathan Boreyko olha através de uma pena sintética de pato, desenvolvida na Virginia Tech. (foto: divulgação)
Testes da versão natural ajudaram a desenvolver penas sintéticas de patos
Os pesquisadores da Virginia Tech investigaram primeiro o que acontece quando várias camadas dessas penas são empilhadas. Eles selaram parcialmente uma série de penas e as empilharam de modo que as seções não lacradas se alinhassem. Isso foi colocado em uma câmara de pressão. Em seguida, a água foi derramada sobre a pena superior e o ar foi canalizado para forçar a água para baixo através das penas.
A equipe descobriu que, compreensivelmente, quanto mais camadas de penas houver, mais pressão será necessária para que a água atravesse todas elas. Outra conclusão é que tudo indica que diferentes espécies de patos tendem a ter a quantidade certa de camadas de penas para mantê-los secos com base na profundidade em que costumam mergulhar.
“Nossa hipótese era usar várias camadas de penas para que a água só viesse parcialmente, mas há bolsas de ar sob isso”, diz Jonathan Boreyko, um dos autores do estudo. “Enquanto essas bolsas de ar estiverem presentes, isso evita algo chamado de umedecimento irreversível. Contanto que a umidade seja apenas parcial, eles podem sacudi-la quando chegarem à superfície”, explicou.
“Tive essa ideia quando estava na Duke University”, disse Boreyko. “Eu tinha uma vaga de estacionamento muito ruim, mas minha caminhada me levou direto pelos cênicos Duke Gardens. Passei por lagoas com muitos patos e percebi que quando um pato sai da água, ele sacode as penas e a água sai voando. Percebi que o que eles estavam fazendo era uma transição desumidificante, liberando água que estava parcialmente dentro de suas penas. Esse foi o germe da ideia. Em minha pesquisa, por mera coincidência, estudei o mesmo tipo de coisa. Percebi que essas transições funcionam apenas se a água não puder chegar até a parte inferior da estrutura da pena porosa. ”
Mergulho dos patos é pont0-chave da pesquisa de engenharia naval
As penas de patos têm aberturas de tamanho pequeno, ranhuras minúsculas que permitem a passagem de água pressurizada. Um pato sentado na superfície de um lago não encontra nenhuma pressão de água, então a penetração da água é insignificante. Um pato mergulhando para baixo para pescar, no entanto, encontra um aumento constante na pressão hidrostática, algo familiar para qualquer pessoa que mergulhe no fundo de uma piscina.
Farzad Ahmadi, pesquisador que entrou neste laboratório ainda no tempo de graduação, descobriu que, à medida que aumenta o número de camadas de penas, a pressão necessária para empurrar a água por todas as camadas também deve aumentar. Isso estabelece uma espécie de linha de base, uma pressão máxima até a qual as penas retêm a água que entra, mas não permite que a água alcance a pele do pato.
Ahmadi também descobriu que as espécies de patos tendem a ter o número exato de camadas de penas necessárias para manter a pele seca durante os mergulhos. Um pato selvagem, por exemplo, tem quatro camadas de penas. A profundidade máxima na qual um pato-real típico mergulha corresponde a uma pressão hidrostática que superou uma pilha de três penas, mas não quatro. Desta forma, pelo menos uma camada de penas permanece seca após o mergulho, permitindo ao pato sacudir a água ao sair, permanecendo seco.
Biomimética: natureza inspira cientistas que buscam a inovação
Com base no que aprenderam com a natureza, os pesquisadores começaram, em seguida, a projetar suas próprias penas sintéticas resistentes à água. Este tipo de projeto, quando a inovação utliza uma estratégia que já existe na natureza, chama-se biomimética. Sua adoção vem crescendo nas engenharias civil, mecânica e ambiental, bem como em outros campos da pesquisa científica. O foco é usar a natureza como inspiração para criar tecnologias do futuro.
O trabalho baseado na sabedoria da natureza com as penas sintéticas de pato começou com uma folha fina de papel alumínio. Ela foi cortada a laser com uma série de ranhuras com apenas um décimo de milímetro de largura. Depois, gravaram uma nanoestrutura nela que se assemelhava a minúsculos fios de cabelo. O resultado é uma grande área de superfície que retém as bolsas de ar com mais facilidade.
Quando eles executaram os testes novamente, os pesquisadores descobriram que suas versões de penas sintéticas de patos funcionavam tão bem quanto sua inspiração natural. A equipe diz que essa técnica pode eventualmente ser usada em navios, para ajudar a reduzir o arrasto e impedir que as cracas se agarrem.
Biomimética: penas naturais e sintéticas lado a lado no laboratório da Virginia Tech. (foto: divulgação)
Navios nus e vestidos de penas sintéticas de pato
“Se pensarmos em um navio se movendo sobre a água como um pássaro projetado, agora ele está nadando nu”, diz Boreyko. “Nós nos perguntamos se vestir o navio com penas poderia proporcionar os mesmos aprimoramentos dos quais as aves aquáticas se beneficiam.”
O casco liso, usado até hoje nas embarcações, foi sempre visto como a melhor maneira de fazer navios cortarem as águas. O que estes cientistas da Virginia Tech, olhando para a natureza, propõem, é uma abordagem totalmente disruptiva. As penas sintéticas de pato, se eles estiveram corretos, podem criar um futuro com barcos bastante diferentes dos que conhecemos hoje.