雷射仿刻奈米結構減少航行阻力合成鴨毛讓船跑得更快

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編譯／韋士塔 2021-06-12 10:00

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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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