17 Avr, 2023

Les plumes qui absorbent l’eau pourraient inspirer de meilleures bouteilles et de meilleurs collecteurs de brouillard

Biotechnologie, Business, Energie, Environnement, Services, Sociétés, Technologie

Des scientifiques ont examiné au microscope les plumes ventrales du tétras du désert mâle, le seul oiseau dont les plumes peuvent absorber et retenir l’eau.

Le tétras du désert mâle n’est peut-être pas très beau à voir, mais ses plumes ventrales lui confèrent la capacité unique d’absorber et de transporter de l’eau. Pour la première fois, des chercheurs ont examiné de près la structure des plumes afin de déterminer comment elles absorbent l’eau et si ce processus pourrait être adapté à l’homme.

Quand on pense aux plumes, on pense probablement à leur capacité à repousser l’eau. Ce n’est pas le cas des plumes ventrales du mâle du tétras du désert. Il peut se rendre à un point d’eau, absorber l’eau dans ses plumes, voler sur plus de 20 km à travers le désert et avoir encore assez d’eau pour satisfaire un nid rempli d’oisillons qui crient. C’est une prouesse étonnante quand on sait qu’il peut absorber environ 15 % de son poids en eau tout en volant à une vitesse d’environ 64 km/h.

Les capacités de transport d’eau du tétras des sables ont été remarquées pour la première fois en 1896 par Edmund Meade-Waldo, ornithologue et défenseur de l’environnement, alors qu’il élevait des oiseaux en captivité. Malheureusement, lorsqu’il a fait part de ses découvertes à d’autres personnes, personne ne l’a cru. Ce n’est qu’en 1967, lorsque Tom Cade et Gordon MacLean ont rapporté leurs observations de grouses des sables dans des points d’eau dans la revue The Condor, que le monde scientifique a commencé à s’intéresser à la question.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’université Johns Hopkins et du MIT ont utilisé des microscopes modernes à haute résolution et la technologie 3D pour obtenir un aperçu inédit de ce qui donne à ces plumes leur capacité à retenir l’eau. Ils ont utilisé des plumes ventrales d’un adulte mâle du tétras des sables de Namaqua, commun en Namibie, au Botswana et en Afrique du Sud.

À l’aide d’un microscope électronique à balayage, de la tomographie assistée par ordinateur, de la microscopie optique et de la vidéographie en 3D, les chercheurs ont pu examiner les tiges des plumes ventrales, qui ne représentent qu’une fraction de la largeur d’un cheveu humain, ainsi que les barbules, encore plus petites. Ces minuscules crochets assurent la structure mécanique et l’intégrité aérodynamique.

Micrographie électronique à balayage de la zone interne d’une plume ventrale sèche de tétras des sables Namaqua montrant la tige des barbules, les spirales hélicoïdales des barbules adjacentes à la tige des barbules et l’extension droite et fibreuse des barbules au-delà des spirales hélicoïdales.

Ils ont ensuite entrepris la tâche délicate de plonger les plumes sèches dans l’eau et de les en extraire et, sous un fort grossissement, ils ont observé comment les structures de la plume absorbaient le liquide.

« Lorsque vous effectuez ce type de travail, vous ne pouvez même pas respirer sous peine d’exploser la plume », a déclaré Jochen Mueller, coauteur de l’étude.

En général, les plumes d’oiseaux ont une tige centrale d’où partent des barbules encore plus petites. Mais dans les plumes sèches du tétras des sables, la zone interne de la plume comporte des barbules qui sont enroulées en hélice à leur base et qui se redressent ensuite. Dans la zone externe, les barbules sont droites et beaucoup plus longues, disposées en franges.

Les chercheurs ont constaté que dans les plumes mouillées, les barbules de la zone interne étaient petites et flexibles, de sorte que la tension superficielle suffit à plier les parties droites en structures en forme de larmes qui retiennent l’eau. Les barbes et barbules de la zone externe s’enroulent autour des structures de la zone interne, contribuant à maintenir l’eau en place. En séchant, les structures reprennent leur forme initiale.

« 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. « Du point de vue de l’ingénierie, nous pensons que ces découvertes pourraient déboucher sur de nouvelles créations bio-inspirées.

Alors que l’on pensait auparavant que la tension superficielle permettait aux plumes de retenir l’eau, cette étude démontre que c’est la flexibilité des différentes parties de la plume qui est déterminante.

Selon les chercheurs, les résultats de l’étude pourraient déboucher sur des applications humaines utiles. Par exemple, dans les régions désertiques telles que le désert d’Atacama au Chili, où l’eau est rare, mais où le brouillard et la rosée se produisent régulièrement, une adaptation de la structure des plumes pourrait être incorporée dans des filets de collecte d’eau.

« On peut imaginer qu’il s’agit d’un moyen d’améliorer ces systèmes », a déclaré Lorna Gibson, coauteur de l’étude. « Un matériau doté de ce type de structure pourrait être plus efficace pour recueillir le brouillard et retenir l’eau.

Une autre utilisation potentielle serait la conception d’une bouteille d’eau qui contiendrait beaucoup de liquide, mais qui s’appuierait sur la structure en plumes pour empêcher l’eau de se déplacer lorsque quelqu’un fait, par exemple, du jogging.

« C’est ce qui nous a enthousiasmés, de voir ce niveau de détail », précise Jochen Mueller. « C’est ce que nous devons comprendre afin d’utiliser ces principes pour créer de nouveaux matériaux.

Les chercheurs ont l’intention d’imprimer en 3D des structures similaires, afin de trouver des applications commerciales à leur découverte.