羽毛中暗藏玄机？小鸭子是天生的物理学大师）

常在水面游，却能不湿身。小鸭子有自己的独门“排水神功”。

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。

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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