Африканская птица подсказала лучший материал для хранения влаги

С помощью микроскопов высокого разрешения и 3D-технологий исследователи из Университета Джона Хопкинса и Массачусетского технологического института (MIT) запечатлели перья обитающего в пустыне южноафриканского рябка. Учёные рассмотрели необычное строение и впервые показали, как перья могут удерживать столько воды.


— Йохен Мюллер, доцент кафедры гражданского строительства и системного проектирования Университета Джона Хопкинса.

Южноафриканский рябок, обитающий в пустынях, обычно гнездится примерно в 30 км от водопоев, вдали от хищников. Чтобы напоить птенцов, взрослые самцы вбирают влагу оперением и со скоростью примерно 65 км/ч течение получаса доставляют воду домой. Способность необычайная, учитывая, что такой груз воды — это около 15% веса «летучего водоноса».

Известно, что самцы южноафриканского рябка — единственные птицы, способные удерживать воду таким образом, и всё дело в особых перьях на брюшках. Прежние исследователи впервые описали эти необычные перья более 50 лет назад. Но только теперь, с современными технологиями, учёные наконец показали, как работают перья-резервуары.

Йохен Мюллер и инженер MIT Лорна Гибсон изучили микроструктуру перьев с брюшка, используя сканирующую электронную микроскопию, микрокомпьютерную томографию, световую микроскопию и 3D-видеосъёмку. Они внимательно изучили лучи, которые тоньше человеческого волоса, и ещё более мелкие крючочки.

Экспериментаторы наблюдали за чудом природы, как сухим, так и влажным. Затем сухие перья макали в воду, вытаскивали, а затем снова погружали, совсем как рябок на водопое.

Йохен Мюллер описал индивидуальную структуру пера как «великолепную», с компонентами, оптимизированными несколькими способами для удержания воды: то, как они изгибаются, как при намокании крючочки смыкаются в нечто похожие на палатки и как трубчатые структуры внутри каждого крючочка улавливают воду.

Отдельные перья пропускали воду через лес крючочков возле стержня, работая вместе с загнутыми крючочками около кончика, действуя почти как колпачки. Команда также смоделировала удержание воды перьями на компьютере.

Мюллер и Гибсон ожидают, что их результаты лягут в основу будущих инженерных разработок, требующих контролируемого поглощения, надёжного удержания и лёгкой отдачи жидкостей. Возможные области применения — сетки для сбора и удержания воды из тумана и росы в пустынных районах и максимально эффективные бутылки для воды, без болтанки и расплёскивания. А инновационный увлажняющий пакет или контейнер особенно оценили бы бегуны.

Ещё одна перспектива — медицинские тампоны нового поколения, которые лучше впитывают жидкость и гораздо легче её отдают. Как выжать жидкость из назальных тестов на COVID-19 — до сих пор проблема из-за пандемии.

Уже в следующем году команда учёных планирует напечатать аналогичные конструкции на 3D-принтере и использовать их в коммерческих целях.

Перья с брюшка, использованные в работе, взяли от единственного взрослого Pterocles namaqua из коллекции Музея сравнительной зоологии Гарвардского университета. Так что ни один рябок ради новых опытов не пострадал.