Un gros plan extrême des plumes d’un oiseau avec une capacité étonnante à retenir l’eau pendant qu’il vole pourrait inspirer la prochaine génération de matériaux absorbants.
Grâce à des microscopes haute résolution et à la technologie 3D, des chercheurs de l’Université Johns Hopkins et du Massachusetts Institute of Technology ont capturé une vue sans précédent des plumes du ganga du désert, mettant en valeur l’architecture singulière de leurs plumes et révélant pour la première fois comment elles peuvent contenir autant eau.
« C’est super fascinant de voir comment la nature a réussi à créer des structures si parfaitement efficaces pour absorber et retenir l’eau », a déclaré le co-auteur Jochen Mueller, professeur adjoint au département de génie civil et des systèmes de Johns Hopkins, spécialisé dans les matériaux intelligents et conception. « D’un point de vue technique, nous pensons que les découvertes pourraient conduire à de nouvelles créations bio-inspirées. »
L’ouvrage est publié aujourd’hui (11 avril) dans Journal de l’interface de la société royale.
Le ganga trouvé dans les déserts africains niche généralement à environ 20 miles des points d’eau pour rester à l’abri des prédateurs. Pour ramener de l’eau à la maison aux poussins assoiffés, les mâles adultes exécutent l’un des meilleurs exemples de la nature en matière de transport, de collecte d’eau et de vol à la maison avec, un exploit d’autant plus extraordinaire que le ganga retient environ 15 % de son poids corporel en eau, et en gardant la majeure partie en sécurité pendant un vol de retour d’environ 40 mph qui prend environ une demi-heure.
Grâce à des microscopes haute résolution et à la technologie 3D, des chercheurs de l’Université Johns Hopkins et du Massachusetts Institute of Technology ont capturé une vue sans précédent des plumes du ganga du désert, mettant en valeur l’architecture singulière de leurs plumes et révélant pour la première fois comment elles peuvent contenir autant eau. Crédit : Université Johns Hopkins
Les gangas mâles sont les seuls oiseaux connus à retenir l’eau comme ça – leurs plumes de ventre spécialement adaptées sont la clé.
D’autres chercheurs ont documenté pour la première fois ces extraordinaires plumes du ventre il y a plus de 50 ans. Mais ce n’est qu’ici, grâce à la technologie moderne, que l’équipe peut enfin démontrer le fonctionnement des plumes.
Mueller et l’ingénieur du MIT Lorna J. Gibson se sont concentrés sur la microstructure des plumes du ventre à l’aide de la microscopie électronique à balayage, de la tomographie micro-informatique, de la microscopie optique et de la vidéographie 3D, en examinant de près les tiges, chacune juste une fraction de la largeur d’un cheveu humain, et les barbules individuelles encore plus petites.
L’équipe a considérablement agrandi les plumes, les observant à la fois sèches et humides. Puis, dans un geste aussi délicat que crucial, tout en magnifiant les plumes sèches, elles ont été trempées dans l’eau, arrachées, puis replongées, à la manière d’un ganga à l’abreuvoir.
« Lorsque vous faites ce type de travail, vous ne pouvez même pas respirer, sinon vous le soufflez », a déclaré Mueller.
Mueller a décrit la structure de la plume individuelle comme « magnifique », avec des composants optimisés de plusieurs manières pour retenir et retenir l’eau, y compris la façon dont ils se plient, la façon dont les barbules forment des grappes protectrices en forme de tente lorsqu’elles sont mouillées et la façon dont les structures tubulaires à l’intérieur de chaque barbule captent l’eau.
Des plumes individuelles retenaient l’eau à travers une forêt de barbules près de l’arbre, travaillant avec les barbules enroulées près de la pointe agissant presque comme des bouchons.
« C’est ce qui nous a excités, de voir ce niveau de détail », a déclaré Mueller. « C’est ce que nous devons comprendre afin d’utiliser ces principes pour créer de nouveaux matériaux. »
L’équipe a également modélisé par ordinateur la consommation d’eau des plumes.
Mueller et Gibson s’attendent à ce que leurs découvertes sous-tendent les futures conceptions techniques nécessitant une absorption contrôlée, une rétention sécurisée et une libération facile des liquides.
Les applications possibles incluent la conception de filets pour collecter et retenir l’eau du brouillard et de la rosée dans les régions désertiques ; et une bouteille d’eau conçue pour éviter les balancements et les ballottements gênants.
Pour la bouteille d’eau ou le sac à dos de sport, il pense à une conception qui retient beaucoup de liquide en toute sécurité, mais qui comprend un système intérieur en forme de plume qui empêche l’eau de se balancer pendant que quelqu’un bouge avec. Il pense qu’un sac d’hydratation ou une poche à eau qui pourrait faire cela serait particulièrement apprécié par les coureurs.
Il imagine également des écouvillons médicaux de niveau supérieur plus faciles à utiliser, « où vous pouvez absorber efficacement le liquide, mais il est beaucoup plus facile de le libérer », dit-il, ajoutant que la fonction de libération était un problème pour la collecte du test nasal COVID-19. échantillons pendant la pandémie.
Ensuite, l’équipe prévoit d’imprimer des structures similaires en 3D et de poursuivre des applications commerciales.
Les plumes du ventre utilisées dans ce travail ont été obtenues à partir d’un seul mâle adulte Ganga Namaqua (Pterocles namaqua) dans la collection du Harvard University Museum of Comparative Zoology.
Plus d’information:
Structure et mécanique des plumes à rétention d’eau du ganga namaqua (Pterocles namaqua), Journal de l’interface de la société royale (2023). DOI : 10.1098/rsif.2022.0878. royalsocietypublishing.org/doi … .1098/rsif.2022.0878