雷射仿刻奈米結構 減少航行阻力 合成鴨毛 讓船跑得更快

編譯/韋士塔  |2021.06.12
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研究人員觀察合成羽毛。圖/網路
科學家研究鴨子羽毛如何降低水的阻力。 圖/美聯社
合成羽毛具備真實羽毛的優點。圖/網路

編譯/韋士塔

船隻的航行速度若能加快,在商業、軍事和休閒領域都有益處,甚至可能有助節省燃料、減少碳排放。多年來,科學家一直試圖提升船速,流體力學專家波瑞科(Jonathan Boreyko)則受到鴨子羽毛的啟發,希望在船身上裝設合成羽毛,仿效自然的羽毛結構來提高船艦在水中航行的速度。

長年從事流體力學研究的波瑞科,目前是維吉尼亞理工(Virginia Tech)的機械工程學副教授。波瑞科表示,多年來,他對鴨子或其他水鳥的羽毛為何不會潮溼極感興趣。

波瑞科回憶:「我在杜克大學(Duke University)時,必須走路穿過校園裡的花園才能到達停車場,途中會經過一處池塘,時常可見到鴨子。我發現鴨子離開水塘時會搖晃羽毛,抖落水珠,那讓我產生了好奇心。經過研究後我了解,鴨子這麼做的目的是去溼,釋放部分藏在羽毛內部的水分。值得注意的是,如果水分深入多孔羽毛結構的底部,鴨子羽毛就會失去排水作用。」

波瑞科指出,鴨子有多層羽毛,且排列緊密,形成可隔離水珠的天然空氣層;此外,鴨子羽毛上還包覆一層油脂,這層油脂來自鴨子的「尾脂腺」,牠們會把油脂均勻地塗在羽毛上,產生防水作用,且能輕鬆甩掉水珠。

後來,波瑞科與一群研究生合作,設法找出鴨子羽毛的排水機制,希望運用在船隻上,降低航行時的阻力。

研究團隊在發表於《美國化學學會應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)科學期刊的論文中指出,他們最初嘗試讓水穿過天然的鴨毛,但並未成功。後來,研究人員決定打造壓力室,先封住一部分羽毛,再倒水、加壓,推動水流。

波瑞科發現,羽毛愈多層,就需要愈大的壓力才能讓水流穿過。每種鴨子的羽毛層數不同,通常會依照鴨子潛入水中覓食的深度而改變。例如,綠頭鴨(Anas platyrhynchos)有4層羽毛,這種鴨子的最大潛水深度,剛好是3層羽毛可承受的水壓;也就是說,綠頭鴨在潛水後,至少會有1層羽毛可保持乾燥,藉此在浮出水面後迅速甩除水分。多層羽毛結構除了不易讓水流穿過,且羽毛底部有氣囊,同樣可幫助鴨子維持身體乾燥。

了解鴨子羽毛避免受潮的基礎機制後,研究團隊開始設計船隻可使用的「合成防水羽毛」。他們使用雷射,在鋁箔上切割出寬度僅1公厘的溝槽,並刻出類似鴨子羽毛的奈米結構。波瑞科表示,利用這項技術製作的合成羽毛,表面積相當大,裝在船身可減少航行阻力,提升速度。

波瑞科表示,大自然的力量非常神奇,他只是如法炮製,就產生驚人效果,「可以把一般船隻想像成一隻機械鳥,但少了羽毛。」研究團隊以合成羽毛測試,發現效果幾乎和鴨子或水鳥的天然羽毛相同,他們將繼續開發合成羽毛,擴大應用領域。

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