على الرغم من أن تقنية النانو عادة ما توصف بأنها اختراع حديث للإنسان ، في الواقع ، في الواقع ، يمكن للمرء أن يصادف بنى كاملة النانو. إنها أساس الوظائف الحيوية لمختلف أشكال الحياة ، من البكتيريا إلى التوت ، من الدبابير إلى الحيتان. يمكن إرجاع استخدام تقنية النانو في الطبيعة إلى الهياكل الطبيعية التي كانت موجودة قبل 500 مليون سنة. فيما يلي خمسة مصادر للإلهام يمكن للعلماء استخدامها لإنشاء تقنيات الجيل الجديد:
1. الألوان الهيكلية
يتم الحصول على تلوين أنواع معينة من
الخنافس والفراشات بسبب أعمدة النانو الموجودة على المسافة المطلوبة من بعضها البعض. تتكون من السكريات ، على سبيل المثال ،
الشيتوزان ، أو البروتينات ، على سبيل المثال ،
الكيراتين . يتم تحديد عرض الفتحات بين الأعمدة بحيث يكون للضوء لون أو بريق معين.
ميزة هذه الاستراتيجية هي الاستدامة. يتم تبيض الأصباغ في الضوء ، وتبقى الألوان الهيكلية مستقرة لفترة طويلة بشكل مثير للدهشة. تضمنت
دراسة حديثة للتلوين الهيكلي
للتوت الرخامي المعدني الأزرق عينات جمعت في عام 1974 ، والتي تحافظ على لونها على الرغم من حقيقة أنها ماتت منذ فترة طويلة.
العمارة المعقدة للشقوق على أجنحة Thecla opisena butterfly.
ميزة أخرى هي أنه يمكن تغيير اللون عن طريق تغيير حجم وشكل الفجوات ، أو ملء المسام بالسائل أو البخار. غالبًا ما تكون علامة التلوين الهيكلي تغيرًا ملحوظًا في لون العينة بعد الغمر في الماء. بعض الهياكل على الأجنحة حساسة للغاية لكثافة الهواء في الشقوق بحيث يتغير اللون استجابة لتغيرات درجة الحرارة.
2. الرؤية لمسافات طويلة
بالإضافة إلى عكس الضوء ببساطة بزاوية لخلق مظهر اللون ، فإن بعض الطبقات الرقيقة جدًا من الألواح المشقوقة تنشر أشعة الضوء التي تصطدم بها بشكل كامل. يؤدي هذا الانعكاس والحظر في وقت واحد إلى ظهور تأثيرات بصرية مذهلة - على سبيل المثال ،
فراشة ، يمكن رؤية جناحيها من
800 متر ، أو خنافس ذات
قشور بيضاء مشرقة بسمك 5 ميكرون فقط. هذه الهياكل مثيرة للإعجاب لدرجة أنها يمكن أن تتجاوز الأشياء التي تم إنشاؤها بشكل مصطنع أكثر سمكا منها 25 مرة.
3. التصاق
يمكن أن ترتبط أقدام الأبراص بثبات مع أي سطح صلب تقريبًا بالمللي ثانية ، وتأتي من دون جهد مرئي. هذا الالتصاق
فيزيائي بطبيعته دون
التفاعل الكيميائي بين الكفوف مع السطح.
البنية الدقيقة والنانوية لمخالب أبو بريص
الطبقة اللاصقة النشطة لمخالب أبو بريص عبارة عن طبقة نانوية متفرعة من الشعيرات - "spatul". يبلغ طول الملوق 200 نانومتر. يتم إرفاق عدة آلاف من هذه البويضات بـ "المجموعة" بحجم الميكرون. وهي تتكون من الكيراتين المرن للغاية. على الرغم من أن دراسات الآلية الدقيقة لربط وفصل الملوق لا تزال جارية ، فإن حقيقة أنها قادرة على العمل بدون مواد كيميائية لزجة هي خاصية رائعة.
تمتلك أقدام أبو بريص قدرات مذهلة أخرى. إنها ذاتية التنظيف ، وتقاوم الالتصاق ، وبشكل افتراضي ، يتم فصل الشعيرات والأقدام الكف عن بعضها البعض. أدت هذه الخصائص إلى الافتراض بأنه في المستقبل ، يمكن تصنيع المواد اللاصقة والمسامير والمسامير في عملية واحدة عن طريق تطبيق الكيراتين أو مادة مماثلة على قوالب صب مختلفة.
4. قوة مسامية
أقوى شكل لأي مادة صلبة هو بلورة واحدة ، مثل الماس ، حيث تقف الذرات بترتيب مثالي تقريبًا من أحد أطراف الجسم إلى الطرف الآخر. أشياء مثل قضبان الصلب أو هياكل الطائرات أو بطانة السيارة ليست بلورات كاملة ، فهي متعددة البلورات ، في هيكل مشابه لفسيفساء من الجسيمات. لذلك ، من الناحية النظرية ، يمكن تحسين قوة هذه المواد عن طريق زيادة حجم الجسيمات ، أو عن طريق تحويل الهيكل بأكمله إلى بلورة واحدة.
البلورات ثقيلة جدا ، ولكن الطبيعة لديها حل لهذه المشكلة في شكل مسام نانوية. الهيكل الناتج ، المعروف باسم
البلورة المتوسطة ، هو النسخة الأكثر متانة في وزنه. أشواك قنافذ البحر والرخويات ذات الأصداف اللؤلؤية لها بنية بلورية. هذه المخلوقات لها قذائف خفيفة للغاية يمكن أن توجد في أعماق كبيرة مع ضغط مرتفع.
من الناحية النظرية ، يمكن تصنيع المواد البلورية المتوسطة ، على الرغم من أن العمليات الحالية اليوم تتطلب معالجة معقدة. تحتاج الجسيمات النانوية الصغيرة إلى التدوير حتى تتماشى مع الأجزاء الأخرى من البلورات المتوسطة المتنامية بدقة ذرية ، كما يجب أن يتم بناؤها حول طبقة ناعمة من أجل الحصول في النهاية على شبكة مسامية.
5. اتجاه البكتيريا
للبكتيريا الممغنطة قدرة مذهلة على استشعار المجالات المغناطيسية ، بما في ذلك مجال الأرض ، باستخدام سلاسل صغيرة من البلورات النانوية - المغنطيسية. هذه هي الحبوب من 30 إلى 50 نانومتر في الحجم ، وتتكون إما من المغنتيت (شكل من أشكال أكسيد الحديد) ، أو ، بشكل أقل شيوعًا ، من الغريغيت (مزيج من الحديد والكبريت). تعمل العديد من ميزات المغنسيوم في وقت واحد للحصول على "إبرة بوصلة" قابلة للطي ، أكثر حساسية مرات عديدة من الأدوات البشرية.
على الرغم من أن هذه "أجهزة الاستشعار" تُستخدم فقط للتنقل عبر مسافات قصيرة (تعيش البكتيريا الممغنطة في البرك) ، إلا أن دقتها لا تصدق. لا يمكنهم فقط التنقل في الفضاء - حجم الحبيبات المتغير يعني القدرة على تخزين المعلومات ، ولا يلاحظ النمو إلا في المركبات الذرية الأكثر حساسية مغناطيسيا.
ومع ذلك ، نظرًا لأن الأكسجين والكبريت يتم مزجهما بنشاط كبير مع الحديد ، مما ينتج المغنتيت ، والجريجيت ، و 50 مركبًا مختلفًا آخر ، قليل جدًا منها مغناطيسي ، هناك حاجة إلى مهارات رائعة للإنتاج المتعمد لسلاسل المغنسيوم الصحيحة. لا تزال مثل هذه الحيل تتجاوز قدراتنا ، ولكن في المستقبل في الملاحة ، قد يكون من الممكن القيام بثورة إذا تعلم العلماء تقليد مثل هذه الهياكل.