Pięć sposobów, w jakie naturalna nanotechnologia może zainspirować ludzki projekt

Anonim

Choć nanotechnologia jest przedstawiana jako dość niedawny wynalazek ludzki, natura jest w rzeczywistości pełna architektur nanoskopowych. Opierają się one na podstawowych funkcjach różnych form życia, od bakterii po jagody, od os po wieloryby.

W rzeczywistości taktowne wykorzystanie zasad nanonauki można przypisać naturalnym strukturom, które mają ponad 500 milionów lat. Poniżej znajduje się tylko pięć źródeł inspiracji, które naukowcy mogą wykorzystać do stworzenia nowej generacji ludzkiej technologii.

1. Kolory strukturalne

Barwienie kilku rodzajów chrząszczy i motyli jest wytwarzane przez zestawy starannie rozmieszczonych nanoskopowych filarów. Wykonane z cukrów takich jak chitozan lub białka, takie jak keratyna, szerokości szczelin między filarami są zaprojektowane tak, aby manipulować światłem w celu uzyskania określonych kolorów lub efektów, takich jak opalizowanie.

Jedną z korzyści tej strategii jest odporność. Pigmenty mają tendencję do wybielania przy ekspozycji na światło, ale kolory strukturalne są stabilne przez wyjątkowo długie okresy. Niedawne badania nad strukturalnym ubarwieniem metaliczno-niebieskich marmurowych jagód, na przykład, zawierały próbki zebrane w 1974 r., Które zachowały swój kolor, mimo że były martwe.

Kolejną zaletą jest to, że kolor można zmienić, zmieniając po prostu rozmiar i kształt szczelin, a także wypełniając pory płynami lub oparami. W rzeczywistości, często pierwszą wskazówką dotyczącą obecności strukturalnego zabarwienia jest żywa zmiana koloru po namoczeniu próbki w wodzie. Niektóre struktury skrzydeł są tak wrażliwe na gęstość powietrza w szczelinach, że zmiany koloru są widoczne również w reakcji na temperaturę.

2. Widoczność długiego zasięgu

Oprócz prostego odchylania światła pod kątem, aby uzyskać wygląd koloru, niektóre ultracienkie warstwy szczelinowych paneli całkowicie odwracają kierunek ruchu promieni świetlnych. To ugięcie i blokowanie światła może współdziałać, tworząc wspaniałe efekty optyczne, takie jak skrzydła pojedynczego motyla o półtonowej widoczności i chrząszcze o jaskrawych białych łuskach, mierzące smukłe pięć mikrometrów. W rzeczywistości te konstrukcje są tak imponujące, że mogą przewyższać sztucznie zaprojektowane konstrukcje, które są 25 razy grubsze.

3. Adhezja

Stopy Gecko mogą trwale związać się z praktycznie każdą twardą powierzchnią w milisekundach i odłączyć bez widocznego wysiłku. Ta adhezja jest czysto fizyczna, bez chemicznej interakcji pomiędzy stopami i powierzchnią.

Aktywną warstwą klejącą stopy gekona jest rozgałęziona nanoskopowa warstwa włosia o nazwie "szpachelka" o długości około 200 nanometrów. Kilka tysięcy tych łopatek jest przymocowanych do "sety" wielkości mikrona. Oba są wykonane z bardzo elastycznej keratyny. Chociaż trwają badania nad drobniejszymi szczegółami mechanizmu przywiązania i odłączania łopatki, sam fakt, że działają bez lepkiego związku chemicznego, jest imponującym osiągnięciem w projektowaniu.

Stopy Gecko mają również inne fascynujące cechy. Są one samoczyszczące, odporne na samoplątanie (seta nie przyklejają się do siebie) i są domyślnie odłączone (w tym od siebie nawzajem). Te cechy skłaniają do sugestii, że w przyszłości kleje, śruby i nity mogą być wykonane z jednego procesu, odlewając keratynę lub podobny materiał do różnych form.

4. Wytrzymałość porowata

Najsilniejszą postacią jakiejkolwiek substancji stałej jest stan monokryształu - zdaniem diamentów - w którym atomy są obecne w niemal idealnym porządku od jednego końca obiektu do drugiego. Rzeczy takie jak stalowe pręty, korpusy samolotów i panele samochodowe nie są jednokrystaliczne, lecz polikrystaliczne, podobne do mozaiki ziaren. Tak więc, teoretycznie, wytrzymałość tych materiałów można poprawić przez zwiększenie wielkości ziarna lub przez uczynienie całej struktury pojedynczo krystaliczną.

Pojedyncze kryształy mogą być bardzo ciężkie, ale natura ma na to rozwiązanie w postaci nanostrukturalnych porów. Wynikowa struktura - mezokrystal - jest najsilniejszą formą danej bryły dla jej kategorii wagowej. Kolce i kolce jeżowca (masa perłowa) są wykonane z form mezokrystalicznych. Te stworzenia mają lekkie muszle, a mimo to mogą przebywać na dużych głębokościach, gdzie ciśnienie jest wysokie.

Teoretycznie można wytwarzać mezokrystaliczne materiały, chociaż stosowanie istniejących procesów wymagałoby wielu skomplikowanych manipulacji. Małe nanocząstki musiałyby obracać się, dopóki nie dopasowałyby się atomową precyzją do innych części rosnących mezokryształów, a następnie musiałyby być zżelowane razem wokół miękkiego elementu dystansowego, aby ostatecznie utworzyć porowatą sieć.

5. Nawigacja bakteryjna

Bakterie magnetotaktyczne posiadają niezwykłą zdolność wyczuwania drobnych pól magnetycznych, w tym także Ziemi, używając małych łańcuchów nanokryształów zwanych magnetosomami. Są to ziarna o rozmiarach od 30 do 50 nanometrów, wykonane z magnetytu (forma tlenku żelaza) lub, rzadziej, greghitu (kombinacja żelaza z siarką). Kilka cech magnetosomów współpracuje ze sobą, tworząc złożoną "igłę kompasu", wielokrotnie bardziej wrażliwą niż sztucznie stworzone odpowiedniki.

Chociaż te "czujniki" są używane tylko do poruszania się na krótkich dystansach (bakterie magnetotaktyczne są zamieszkałe w stawie), ich precyzja jest niesamowita. Nie tylko mogą znaleźć drogę, ale zmienny rozmiar ziarna oznacza, że ​​mogą zachować informacje, podczas gdy wzrost jest ograniczony do najbardziej wrażliwych magnetycznie układów atomowych.

Jednakże, ponieważ tlen i siarka łączą się żarłocznie z żelazem w celu wytworzenia magnetytu, gregitu lub ponad 50 innych związków - z których tylko niektóre są magnetyczne - wymagana jest ogromna umiejętność selektywnego wytwarzania właściwej formy i tworzenia łańcuchów magnetosomu. Taka zręczność jest obecnie poza naszym zasięgiem, ale przyszła nawigacja mogłaby zostać zrewolucjonizowana, gdyby naukowcy nauczyli się naśladować te struktury.

menu
menu