Comment un oiseau africain pourrait inspirer une meilleure bouteille d'eau
Un gros plan des plumes d'un oiseau qui a la capacité étonnante de retenir l'eau pendant qu'il vole pourrait inspirer la prochaine génération de matériaux absorbants.
Grâce à des microscopes à 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 tétras des sables, qui vit dans le désert, mettant en évidence l'architecture singulière de ses plumes et révélant pour la première fois comment elles peuvent retenir une telle quantité d'eau.
Vue en coupe, extrêmement grossie, des barbes des plumes du tétras des sables.
Johns Hopkins University
"Il est tout à fait fascinant de voir comment la nature a réussi à créer des structures si parfaitement efficaces pour absorber et retenir l'eau", a déclaré Jochen Mueller, coauteur de l'étude et professeur adjoint au département d'ingénierie civile et des systèmes de l'université Johns Hopkins, spécialisé dans les matériaux et la conception intelligents. "Du point de vue de l'ingénierie, nous pensons que ces résultats pourraient déboucher sur de nouvelles créations bio-inspirées".
Les travaux ont été publiés dans la revue The Royal Society Interface.
Les gélinottes des déserts africains nichent généralement à une quinzaine de kilomètres des points d'eau pour se mettre à l'abri des prédateurs. Pour ramener de l'eau aux oisillons assoiffés, les mâles adultes réalisent l'un des meilleurs exemples de transport dans la nature : ils collectent de l'eau et s'envolent avec, un exploit d'autant plus extraordinaire que le tétras des sables contient environ 15 % de son poids en eau et qu'il en conserve la plus grande partie à l'abri au cours d'un vol de retour d'environ une demi-heure, à une vitesse de 40 mph.
Le tétras des sables mâle est le seul oiseau connu à pouvoir retenir l'eau de la sorte, grâce à ses plumes ventrales spécialement adaptées.
D'autres chercheurs ont documenté pour la première fois ces extraordinaires plumes ventrales il y a plus de 50 ans. Mais ce n'est qu'aujourd'hui, grâce à la technologie moderne, que l'équipe peut enfin démontrer le fonctionnement de ces plumes.
M. Mueller et Lorna J. Gibson, ingénieur au MIT, se sont concentrés sur la microstructure des plumes ventrales en utilisant la microscopie électronique à balayage, la tomographie assistée par ordinateur, la microscopie optique et la vidéographie en 3D, en examinant de près les tiges, dont chacune ne représente qu'une fraction de la largeur d'un cheveu humain, et les barbules individuelles, encore plus minuscules.
L'équipe a considérablement agrandi les plumes, les observant à la fois sèches et humides. Puis, dans un geste aussi délicat que crucial, les plumes sèches ont été plongées dans l'eau pendant qu'elles étaient agrandies, puis retirées et réimmergées, tout comme un tétras des sables à l'abreuvoir.
"Quand on fait ce genre de travail, on ne peut même pas respirer sous peine de tout faire voler en éclats", a déclaré M. Mueller.
M. Mueller a qualifié de "magnifique" la structure de chaque plume, dont les composants sont optimisés de plusieurs façons pour retenir l'eau, notamment la façon dont ils se plient, la façon dont les barbules forment des groupes protecteurs en forme de tente lorsqu'elles sont mouillées et la façon dont les structures tubulaires à l'intérieur de chaque barbule capturent l'eau.
Les plumes individuelles retiennent l'eau grâce à une forêt de barbules près de la tige, qui travaillent ensemble avec les barbules enroulées près de l'extrémité qui agissent presque comme des capuchons.
"C'est ce qui nous a enthousiasmés, de voir ce niveau de détail", a déclaré M. Mueller. "C'est ce que nous devons comprendre afin d'utiliser ces principes pour créer de nouveaux matériaux.
L'équipe a également modélisé par calcul l'absorption d'eau par les plumes.
Mueller et Gibson s'attendent à ce que leurs découvertes servent de base à de futures conceptions techniques nécessitant une absorption contrôlée, une rétention sûre et une libération facile des liquides.
Parmi les applications possibles, citons la conception d'un filet destiné à recueillir et à retenir l'eau du brouillard et de la rosée dans les régions désertiques, ainsi qu'une bouteille d'eau conçue pour éviter les oscillations et les remous gênants.
Pour la bouteille d'eau ou le sac à dos de sport, il pense à un modèle qui contiendrait en toute sécurité une grande quantité de liquide, mais qui comprendrait un système interne semblable à une plume qui empêcherait l'eau de se balancer lorsque quelqu'un se déplace avec elle. Il pense qu'un sac d'hydratation ou une poche à eau capable de faire cela serait particulièrement apprécié des coureurs.
Il imagine également des écouvillons médicaux de nouvelle génération plus faciles à utiliser, "où l'on peut absorber efficacement le liquide, mais où il est beaucoup plus facile de le relâcher", explique-t-il, ajoutant que la fonction de relâchement a été un problème pour la collecte d'échantillons de test nasal COVID-19 pendant la pandémie.
L'équipe prévoit ensuite d'imprimer des structures similaires en 3D et de rechercher des applications commerciales.
Les plumes ventrales utilisées dans ce travail ont été obtenues à partir d'un seul tétras des sables Namaqua(Pterocles namaqua) adulte mâle de la collection du musée de zoologie comparée de l'université de Harvard. Ce travail a également bénéficié d'une subvention de la National Science Foundation (DMR-1922321).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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