Pet načinov, da bi naravna nanotehnologija lahko navdihnila človeški dizajn

Dominion (2018) - full documentary [Official] (Junij 2019).

Anonim

Čeprav je nanotehnologija prikazana kot dokaj nedavni človeški izum, je narava dejansko polna nanoskopskih arhitektur. Podpiramo bistvene funkcije različnih oblik življenja, od bakterij do jagod, osps do kitov.

Dejansko lahko taktno uporabo načel nanoznanosti najdemo v naravnih strukturah, starejših od 500 m. Spodaj je le pet virov navdiha, ki jih lahko znanstveniki uporabljajo za ustvarjanje nove generacije človeške tehnologije.

1. Strukturne barve

Obarvanost več vrst hroščev in metuljev se proizvaja z nizom skrbno razporejenih nanoskopskih stebrov. Izdelane iz sladkorja, kot je hitozan ali beljakovine, kot je keratin, so širine rež med stebri izdelane tako, da manipulirajo s svetlobo, da dosežejo določene barve ali učinke, kot so iridescence.

Ena od prednosti te strategije je odpornost. Pigmenti ponavadi bleščijo z izpostavljenostjo svetlobi, vendar strukturne barve so stabilne za precej dolga obdobja. Nedavna študija strukturne obarvanosti v kovinsko-modri barvi marmorja je na primer pokazala primere, zbrane leta 1974, ki so ohranili svojo barvo, kljub temu, da so bili dolgo mrtvi.

Druga prednost je, da se barva lahko spremeni s preprosto spreminjanjem velikosti in oblike rež in s polnjenjem pore s tekočinami ali hlapi. Dejansko je pogosto prvi znak prisotnosti strukturne obarvanosti živahna sprememba barve po tem, ko je bil vzorec namočen v vodi. Nekatere krilne strukture so tako občutljive na gostoto zraka v razrezih, da so spremembe barve vidne kot odziv na temperaturo.

2. Vidljivost na dolge razdalje

Poleg tega, da preprosto odbijemo svetlobo pod kotom, da dosežemo videz barve, nekateri ultra tanki sloji režastih plošč popolnoma povrnejo smer potovanja svetlobnih žarkov. Ta odklon in blokiranje svetlobe lahko delata skupaj, da ustvarijo osupljive optične učinke, kot so enojna metulja s krilci s polmičnimi vidiki in hrošči z briljantno belimi luskami, ki merijo tanko pet mikrometrov. Pravzaprav so te strukture tako impresivne, da lahko prekašajo umetno konstruirane strukture, ki so 25-krat bolj debele.

3. Adhezija

Noge Gecko se lahko trdno vežejo na skoraj vsako trdno površino v milisekundah in odstopajo brez očitnih naporov. Ta adhezija je povsem fizična brez kemijske interakcije med nogami in površino.

Aktivna lepilna plast gecko noge je razvejana nanoskopska plast ščetin, imenovana "spatulae", ki meri okoli 200 nanometrov v dolžino. Več tisoč teh spatul je pritrjenih na mikro seta. Oba sta izdelana iz zelo prilagodljivega keratina. Čeprav poteka raziskava o natančnejših podrobnostih vezave in odstranjevanja lopatice, dejstvo, da delujejo brez lepljive kemikalije, je impresiven dizajn.

Tudi Gecko ima druge zanimive značilnosti. So samočistilni, odporni na samozapiranje (seta se ne držijo drug na drugega) in so privzeto ločeni (tudi med seboj). Te značilnosti so spodbudile predloge, da bi v prihodnosti lepila, vijaki in zakovice lahko obstajali iz enega samega postopka, vlivanja keratina ali podobnega materiala v različne plesni.

4. Porozna trdnost

Najmočnejša oblika vsake trdne snovi je edinstveno kristalno stanje - mislim diamanti - v katerih so atomi prisotni v skoraj popolnem vrstnem redu od enega konca predmeta do drugega. Stvari, kot so jeklene palice, letala in avtomobilske plošče, niso enojne kristalinične, temveč polikristalne, podobne strukturi z mozaikom zrn. Torej, v teoriji bi bilo moč teh materialov mogoče izboljšati z zvišanjem velikosti zrn ali z izdelavo celotne strukture enojne kristaline.

Enkratni kristali so lahko zelo težki, vendar ima narava rešitev za to v obliki nanostrukturiranih pore. Nastala struktura - mezokristal - je najmočnejša oblika dane trdne snovi za svojo težo. Morske žreveske hrbtenice in gobice (materina biser) so izdelane iz mezokristalinskih oblik. Ta bitja imajo lahke školjke in se lahko nahajajo v velikih globinah, kjer je pritisk visok.

V teoriji se lahko proizvajajo mezo-kristalinični materiali, čeprav bi z uporabo obstoječih procesov potrebovali veliko zapletene manipulacije. Drobne nanodelce bi se morale vrteti okoli, dokler se ne bodo ujemale z atomsko natančnostjo na druge dele rastočih mezokristalov, nato pa jih je treba gelirati skupaj okoli mehkega distančnika, da bi sčasoma oblikovali porozno mrežo.

5. Bakterijska navigacija

Magnetotaktične bakterije imajo izredno sposobnost zaznavanja minutnih magnetnih polj, vključno z lastno Zemljo, z uporabo majhnih verig nanokristalov, imenovanih magnetozomov. To so zrna velikosti med 30-50 nanometri, izdelane iz magnetita (oblika železovega oksida) ali, manj pogosto, gregita (železovega žvepla). Več funkcij magnetozomov deluje skupaj, da proizvajajo zložljivo iglo "kompasa", ki je večkrat občutljivejša od nasprotujočih si znakov.

Čeprav se ti "senzorji" uporabljajo samo za krmarjenje na kratkih razdaljah (magnetotaktične bakterije so ribnike), njihova natančnost je neverjetna. Ne le, da lahko najdejo svojo pot, ampak različne velikosti zrn pomeni, da lahko zadržijo informacije, medtem ko je rast omejena na najbolj magnetno občutljive atomske ureditve.

Ker pa se kisik in žveplo združita z železom za proizvodnjo magnetita, greghita ali več kot 50 drugih spojin, od katerih so le nekateri magnetni, je potrebna selektivna izdelava pravilne oblike in ustvarjanje magnetosomskih verig. Takšna spretnost je trenutno izven našega dosega, vendar bi se lahko prihodnja navigacija spremenila, če bi se znanstveniki naučili posnemati te strukture.

menu
menu