Um close extremo de penas de um pássaro com uma habilidade incrível de reter água enquanto voa pode inspirar a próxima geração de materiais absorventes.

Com microscópios de alta resolução e tecnologia 3D, pesquisadores da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts capturaram uma visão sem precedentes das penas do perdiz-da-areia que habita o deserto, mostrando a arquitetura singular de suas penas e revelando pela primeira vez como eles podem segurar tanto água.

"É muito fascinante ver como a natureza conseguiu criar estruturas tão perfeitamente eficientes para absorver e reter a água", disse o coautor Jochen Mueller, professor assistente do Departamento de Engenharia Civil e de Sistemas da Johns Hopkins, especializado em materiais inteligentes e projeto. “Do ponto de vista da engenharia, achamos que as descobertas podem levar a novas criações bioinspiradas”.

O trabalho foi publicado hoje (11 de abril) no Journal of the Royal Society Interface .

Sandgrouse encontrado em desertos africanos normalmente nidifica a cerca de 20 milhas de bebedouros para se manter a salvo de predadores. Para levar água para os filhotes sedentos, os machos adultos executam um dos melhores exemplos da natureza, coletando água e voando para casa com ela, uma façanha ainda mais extraordinária considerando que o perdiz-da-areia está segurando cerca de 15% de seu peso corporal em água, e manter a maior parte segura durante um voo de aproximadamente 40 mph para casa, que leva cerca de meia hora.

Os galos-da-areia machos são os únicos pássaros conhecidos por manter a água assim - suas penas da barriga especialmente adaptadas são a chave.

Outros pesquisadores documentaram pela primeira vez essas extraordinárias penas da barriga há mais de 50 anos. Mas somente aqui com tecnologia moderna a equipe pode finalmente demonstrar como as penas funcionam.

Mueller e a engenheira do MIT Lorna J. Gibson se concentraram na microestrutura das penas da barriga usando microscopia eletrônica de varredura , tomografia microcomputadorizada, microscopia de luz e videografia 3D, observando atentamente as hastes, cada uma com apenas uma fração da largura de um fio de cabelo humano, e as bárbulas individuais ainda menores.

A equipe ampliou bastante as penas, observando-as tanto secas quanto molhadas. Então, em um movimento tão delicado quanto crucial, enquanto ampliadas, as penas secas eram mergulhadas na água, puxadas para fora e depois submersas novamente, como um cortiço-da-areia em um bebedouro.

Mueller descreveu a estrutura individual da pena como "magnífica", com componentes otimizados de várias maneiras para reter e reter a água, incluindo a maneira como se dobram, como as bárbulas formam grupos protetores semelhantes a tendas quando molhadas e como as estruturas tubulares dentro de cada bárbula capturam a água.

Penas individuais retinham a água através de uma floresta de bárbulas perto da haste, trabalhando juntas com as bárbulas enroladas perto da ponta, agindo quase como gorros.

"Foi isso que nos entusiasmou, ver esse nível de detalhe", disse Mueller. "Isso é o que precisamos entender para usar esses princípios para criar novos materiais."

A equipe também modelou computacionalmente a ingestão de água das penas.

Mueller e Gibson esperam que suas descobertas sustentem futuros projetos de engenharia que exigem absorção controlada, retenção segura e fácil liberação de líquidos.

Uma pena de perdiz-da-areia vista de frente. Crédito: Universidade Johns Hopkins

Possíveis aplicações incluem o projeto de redes para coletar e reter água de neblina e orvalho em regiões desérticas; e uma garrafa de água projetada para evitar balanços e respingos irritantes.

Para a garrafa de água ou mochila esportiva, ele está pensando em um design que retenha com segurança muito líquido, mas inclui um sistema interno semelhante a uma pena que evita que a água balance enquanto alguém se move com ela. Ele acha que um pacote de hidratação ou bexiga de água que poderia fazer isso seria particularmente apreciado pelos corredores.

Ele também imagina cotonetes médicos de nível superior que são mais fáceis de usar, "onde você pode absorver o líquido com eficiência, mas é muito mais fácil liberá-lo", diz ele, acrescentando que o recurso de liberação foi um problema para coletar o teste nasal COVID-19 amostras durante a pandemia.

Em seguida, a equipe planeja imprimir estruturas semelhantes em 3D e buscar aplicações comerciais.

As penas da barriga usadas neste trabalho foram obtidas de um único galo silvestre macho adulto (Pterocles namaqua) na coleção do Museu de Zoologia Comparada da Universidade de Harvard.