Castores e lontras marinhas não possuem a espessa camada de gordura que isola as morsas e baleias. E, no entanto estes pequenos mamíferos semiaquáticos podem se aquecer e até mesmo secar enquanto mergulham, prendendo bolsas de ar quente em camadas densas da pele.

Inspirado por estes nadadores felpudos, os engenheiros do MIT já fabricaram peles de borracha e as usaram para identificar um mecanismo pelo qual o ar fica preso entre os cabelos quando as peles estão mergulhadas em líquido.

Vídeo: Melanie Gonick / MIT

Os resultados, publicados na revista Physical Review Fluids, fornecem uma compreensão mecânica detalhada de como os mamíferos, tais como castores se isolam enquanto mergulham na água. Os resultados também podem servir como um guia para a concepção de materiais bioinspirados - mais notavelmente, roupas de surf peludas.

"Estamos particularmente interessados ​​em roupas para o surf, onde o atleta se move com freqüência entre os ambientes de ar e água", diz Anette (Peko) Hosoi, uma professora de engenharia mecânica e chefe adjunta do departamento do MIT. "Nós podemos controlar o comprimento, espaçamento e arranjo dos cabelos, o que nos permite projetar texturas para combinar determinadas velocidades de mergulho e maximizar a região seca do fato."

Os co-autores de Hosoi incluem a autora principal e estudante de pós-graduação Alice Nasto, o pós-doutorando José Alvarado, e o instrutor de matemática aplicada Pierre-Thomas Brun, todos do MIT, bem como a ex-pesquisadora visitante Marianne Regli, e Christophe Clanet, ambos da École Polytechnique, na França.

Ciência do surf

A pesquisa do grupo foi motivada por uma viagem a Taiwan em 2015. Hosoi lidera o STE@M (Tecnologia Desporto e Educação no MIT), um programa que incentiva os alunos e professores para continuar os projetos que ajudam a tecnologias desportivas avançadas. No verão de 2015, Hosoi levou um grupo de estudantes do STE@M para Taiwan, onde visitaram vários fabricantes de artigos esportivos, incluindo o fabricante de roupas de neoprene, Grupo Sheico.

"Eles estão interessados ​​em sustentabilidade, e nos perguntou, 'Existe uma solução bioinspirado para roupas de surf?'", Diz Hosoi. "Surfistas, que vão frequentemente para dentro e para fora da água, querem ser ágeis e verterem a água o mais rápido possível quando estão fora da água, mas manterem as propriedades de gerenciamento térmico para permanecerem aquecidos quando estão submersos."

Quando o grupo retornou da viagem, Hosoi atribuiu o problema a Nasto, incentivando-a a encontrar exemplos na natureza que poderiam servir como um modelo de projeto para roupas de surf simplificadas e sêcas. Em suas pesquisas bibliográficas, Nasto se fixou em mamíferos semi-aquáticos, incluindo castores e lontras marinhas. Os biólogos observaram que estes animais capturam, ou "entranham" o ar em sua pele.

Nasto também aprendeu que os animais são cobertos por dois tipos de pele: longos e finos pêlos "de guarda", que atuam como um escudo para um pêlo mais curto mais denso, os biólogos raciociaram que os cabelos de guarda preveniam que a água penetrasse no "sub-pêlo", assim, aprisionando o ar quente contra a pele dos animais. Mas como notou Nasto, "não havia uma profunda compreensão, mecânica desse processo. É aí que nós entramos."

Bolsos profundos

A equipe estabeleceu um plano: Fabricar superfícies precisas, semelhantes à pele de várias dimensões, mergulhando as superfícies no estado líquido em diferentes velocidades e com imagens de vídeo medindo o ar que está preso na pele durante cada mergulho.

Para tornar as superfícies peludas, Nasto primeiro criou vários moldes com milhares de cortes a laser formando pequenos buracos em pequenos blocos de acrílico. Com cada molde, ela usou um programa de software para alterar o tamanho e espaçamento dos cabelos individuais. Ela, então, encheu os moldes com uma borracha macia fundida chamada de PDMS (polidimetilsiloxano), e puxou as superfícies peludas para fora do molde depois de terem sido curadas.

Em seus experimentos, os pesquisadores montaram cada superfície de pêlos num estágio vertical, motorizado, com os cabelos voltados para fora. Eles, então, submergiram as superfícies em óleo de silicone - um líquido que eles escolheram para melhor observar quaisquer bolsas de ar que se formassem.

Cada vez que as superfície mergulhavam, os pesquisadores puderam ver dentro dos cabelos uma clara fronteira entre líquido e ar, com o ar formando uma camada mais espessa mais perto da superfície, e progressivamente diluindo com a profundidade. Entre as várias superfícies, eles descobriram que aquelas com a pele mais densa que foram mergulhadas em velocidades mais altas geralmente mantiveram uma camada mais espessa de ar dentro de seus pêlos.

Armadilha de pêlos

A partir dessas experiências, verificou-se que o espaçamento dos pêlos individuais, e a velocidade em que eles estavam mergulhados, desempenhou um grande papel na determinação de quanto ar uma superfície poderia capturar. Hosoi e Nasto, em seguida, desenvolveram um modelo simples para descrever o efeito de retenção de ar em termos precisos, matemáticos. Para fazer isso, eles modelaram a superfície de pêlos como uma série de tubos, que representam os espaços entre os pêlos individuais. Eles podem, em seguida, modelar o fluxo de líquido dentro de cada tubo, e medir o equilíbrio de pressão entre as camadas de líquidos e de ar resultantes.

"Basicamente, verificou-se que o peso da água está empurrando o ar, mas a viscosidade do líquido é um fluxo resistente (através dos tubos)," explica Hosoi. "A água adere a estes pêlos, o que impede a água de penetrar todo o caminho até a sua base." Hosoi e Nasto aplicaram a sua equação aos dados experimentais e descobriram que as suas previsões combinavam com os dados com precisão. Os pesquisadores agora podem prever com precisão a espessura de uma camada de ar que irá envolver uma superfície peluda, com base na sua equação.

"As pessoas sabem que estes animais usam a sua pele para prender o ar", diz Hosoi. "Mas, dado um pedaço de pele, eles não poderiam ter respondido a pergunta: Será que isso vai prender o ar ou não? Temos agora quantificado o espaço de design e podemos dizer: 'Se você tem este tipo de densidade do pêlo e comprimento e está sendo mergulhado a essa velocidade, este projeto irá prender o ar, e este não vai'. Esta é a informação que você precisa quando se você vai projetar uma roupa de surf. Claro, você poderia fazer uma roupa de surf muito peluda que se parece com um monstro e que iria provavelmente prender o ar, mas que provavelmente não é a melhor maneira de se solucionar o problema."

José Bico, professor da ESPCI (instituição de ensino superior de física industrial e química da cidade de Paris), aponta para outra aplicação para os resultados do grupo: o processo de dip-coating industrial, pelo qual as superfícies são mergulhadas em um polímero para conseguir um melhor revestimento protetor.

"Entranhamento de líquido e ar é um grande negócio em um monte de aplicações de revestimento industrial," diz Bico, que não estava envolvido na pesquisa. "Por exemplo, muitos tratamentos envolvem imersão de um objeto em um banho de algum líquido. Nesse caso, você não quer que o ar permaneça preso. Este modelo diz o quão rápido um mergulho deve ser feito antes de reter o ar".

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation.

Fonte: MIT News