Fem måder, hvorpå naturlig nanoteknologi kan inspirere menneskeligt design

Selvom nanoteknologi fremstilles som en ganske nylig menneskelig opfindelse, naturen er faktisk fuld af nanoskopiske arkitekturer. De understøtter de væsentlige funktioner i en række forskellige livsformer, fra bakterier til bær, hveps til hvaler.

Faktisk, taktfuld brug af nanovidenskabens principper kan spores til naturlige strukturer, der er over 500 m år gamle. Nedenfor er blot fem inspirationskilder, som forskere kunne bruge til at skabe den næste generation af menneskelig teknologi.

1. Strukturelle farver

Farven på flere typer biller og sommerfugle fremstilles af sæt nanoskopiske søjler med omhyggelig afstand. Lavet af sukkerarter som chitosan, eller proteiner som keratin, slidsernes bredder mellem søjlerne er konstrueret til at manipulere lys for at opnå bestemte farver eller effekter som iridescens.

En fordel ved denne strategi er modstandsdygtighed. Pigmenter har en tendens til at blegne ved udsættelse for lys, men strukturelle farver er stabile i bemærkelsesværdigt lange perioder. En nylig undersøgelse af strukturel farve i metallic-blå marmorbær, for eksempel, fremhævede eksemplarer indsamlet i 1974, som havde bevaret deres farve på trods af at de længe var døde.

En anden fordel er, at farven kan ændres ved blot at variere størrelsen og formen på slidserne, og ved også at fylde porerne med væsker eller dampe. Faktisk, ofte er det første fingerpeg om tilstedeværelsen af ​​strukturel farve en levende farveændring, efter at prøven er gennemblødt i vand. Nogle vingestrukturer er så følsomme over for lufttæthed i slidserne, at farveændringer også ses som reaktion på temperaturen.

2. Langsigtet sigtbarhed

Ud over blot at afbøje lys i en vinkel for at opnå farvenes udseende, nogle ultratynde lag af spaltepaneler vender fuldstændig retningen af ​​lysstrålernes bevægelse helt om. Denne afbøjning og blokering af lys kan arbejde sammen for at skabe fantastiske optiske effekter, såsom en enkelt sommerfugles vinger med en halv kilometer synlighed, og biller med strålende hvide skæl, måler en slank fem mikrometer. Faktisk, disse strukturer er så imponerende, at de kan udkonkurrere kunstigt konstruerede strukturer, der er 25 gange tykkere.

3. Adhæsion

Geckofødder kan binde fast til praktisk talt enhver fast overflade i millisekunder, og løsnes uden tilsyneladende indsats. Denne vedhæftning er rent fysisk uden kemisk interaktion mellem fødderne og overfladen.

Det aktive klæbende lag på gekkoens fod er et forgrenet nanoskopisk lag af børstehår kaldet "spatler", som måler cirka 200 nanometer i længden. Flere tusinde af disse spatler er knyttet til mikronstørrelse "seta". Begge er lavet af meget fleksibel keratin. Selvom forskning i de finere detaljer om spatelernes fastgørelses- og løsrivelsesmekanisme er i gang, selve det faktum, at de fungerer uden klæbrige kemikalier, er en imponerende konstruktion.

Geckos fødder har også andre fascinerende træk. De er selvrensende, modstandsdygtige over for selvmatte (setaerne klæber ikke til hinanden) og er som standard løsrevet (inklusive fra hinanden). Disse funktioner har fået forslag til, at i fremtiden lim, skruer og nitter kan alle laves fra en enkelt proces, støbe keratin eller lignende materiale i forskellige forme.

4. Porøs styrke

Den stærkeste form for ethvert fast stof er enkeltkrystallilstanden - tænk diamanter - hvor atomer er til stede i næsten perfekt orden fra den ene ende af objektet til den anden. Ting som stålstænger, flykroppe og bilpaneler er ikke enkeltkrystallinske, men polykrystallinsk, lignende struktur til en mosaik af korn. Så, i teorien, styrken af ​​disse materialer kunne forbedres ved at øge kornstørrelsen, eller ved at gøre hele strukturen enkelt krystallinsk.

Enkeltkrystaller kan være meget tunge, men naturen har en løsning på dette i form af nanostrukturerede porer. Den resulterende struktur-en meso-krystal-er den stærkeste form af et givet fast stof for sin vægtkategori. Søpindsvin pigge og nacre (perlemor) er begge lavet af meso-krystallinske former. Disse skabninger har lette skaller og kan alligevel opholde sig på store dybder, hvor trykket er højt.

I teorien, meso-krystallinske materialer kan fremstilles, selvom brug af eksisterende processer ville kræve meget indviklet manipulation. Små nanopartikler skulle snurres rundt, indtil de med atompræcision lagde sig op i andre dele af de voksende mesokrystaller, og så skulle de geleres sammen omkring et blødt afstandsstykke for til sidst at danne et porøst netværk.

5. Bakteriel navigation

Magnetotaktiske bakterier besidder den ekstraordinære evne til at fornemme små magnetfelter, herunder Jordens egen, ved hjælp af små kæder af nanokrystaller kaldet magnetosomer. Disse er kornstørrelser mellem 30-50 nanometer, lavet af enten magnetit (en form for jernoxid) eller mindre almindeligt, greghite (en jern -svovlkombination). Flere funktioner i magnetosomer arbejder sammen for at producere en foldbar "kompasnål", mange gange mere følsomme end menneskeskabte kolleger.

Selvom disse "sensorer" kun bruges til at navigere over korte afstande (magnetotaktiske bakterier er damboende), deres præcision er utrolig. Ikke alene kan de finde vej, men varierende kornstørrelse betyder, at de kan bevare oplysninger, mens væksten er begrænset til de mest magnetisk følsomme atomarrangementer.

Imidlertid, som ilt og svovl kombineres grådigt med jern for at producere magnetit, greghite eller over 50 andre forbindelser - kun få af dem er magnetiske - der kræves stor dygtighed for selektivt at producere den korrekte form, og opret magnetosomkæderne. Sådan fingerfærdighed er i øjeblikket uden for vores rækkevidde, men fremtidig navigation kan revolutioneres, hvis forskere lærer at efterligne disse strukturer.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.