Obwohl die Nanotechnologie normalerweise als eine neuere Erfindung des Menschen beschrieben wird, kann man in der Natur tatsächlich auf vollständige nanoskalige Architekturen stoßen. Sie liegen den lebenswichtigen Funktionen verschiedener Lebensformen zugrunde, von Bakterien bis zu Beeren, von Wespen bis zu Walen. Der Einsatz der Nanotechnologie in der Natur lässt sich auf die natürlichen Strukturen zurückführen, die vor 500 Millionen Jahren existierten. Hier sind nur fünf Inspirationsquellen, mit denen Wissenschaftler Technologien der neuen Generation entwickeln können:
1. Strukturfarben
Die Färbung bestimmter Arten von
Käfern und Schmetterlingen wird durch nanoskopische Säulen erzielt, die sich im erforderlichen Abstand voneinander befinden. Sie bestehen aus Zuckern, zum Beispiel
Chitosan , oder Proteinen, zum Beispiel
Keratin ; Die Breite der Schlitze zwischen den Spalten wird so gewählt, dass das Licht eine bestimmte Farbe oder einen bestimmten Glanz hat.
Der Vorteil dieser Strategie ist die Nachhaltigkeit. Die Pigmente im Licht werden gebleicht und die Strukturfarben bleiben erstaunlich lange stabil. Eine kürzlich durchgeführte
Studie zur strukturellen Färbung von
Beeren aus blauem metallischem
Marmor umfasste 1974 gesammelte Exemplare, die ihre Farbe trotz der Tatsache, dass sie seit langem tot sind, beibehalten.
Die komplexe Architektur der Risse an den Flügeln des Schmetterlings Thecla opisena.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Farbe geändert werden kann, indem die Größe und Form der Lücken variiert oder die Poren mit Flüssigkeit oder Dampf gefüllt werden. Oft ist ein Zeichen einer strukturellen Färbung eine auffällige Farbänderung der Probe nach dem Eintauchen in Wasser. Einige Strukturen an den Flügeln reagieren so empfindlich auf die Luftdichte in den Spalten, dass sich die Farbe als Reaktion auf Temperaturänderungen ändert.
2. Fernsicht
Einige ultradünne Schichten von Schlitzplatten reflektieren das Licht nicht nur in einem Winkel, um das Erscheinungsbild von Farbe zu erzeugen, sondern setzen auch die Lichtstrahlen, die auf sie treffen, vollständig ein. Eine solche Reflexion und Blockierung führt gleichzeitig zu erstaunlichen optischen Effekten - zum Beispiel einem
Schmetterling , dessen Flügel aus
800 m Entfernung sichtbar sind, oder Käfern mit
hellweißen Schuppen, die nur 5 Mikrometer dick sind. Diese Strukturen sind so beeindruckend, dass sie künstlich erzeugte Objekte übersteigen können, die 25-mal dicker sind als sie.
3. Haftung
Die Pfoten des Geckos können sich in Millisekunden fest mit fast jeder harten Oberfläche verbinden und sich ohne sichtbare Anstrengung lösen. Diese Haftung ist
rein physikalischer Natur ohne die
chemische Wechselwirkung der Pfoten mit der Oberfläche.
Mikro- und Nanostrukturen von Geckopfoten
Die aktive klebrige Schicht der Pfoten des Geckos ist eine verzweigte nanoskopische Borstenschicht - "Spatel". Die Länge des Spatels beträgt 200 nm. Mehrere tausend dieser Spatel sind an dem mikrongroßen „Set“ befestigt. Sie bestehen aus sehr flexiblem Keratin. Obwohl noch Untersuchungen zum genauen Mechanismus der Anhaftung und Ablösung von Spateln im Gange sind, ist die Tatsache, dass sie ohne klebrige Chemikalien arbeiten können, eine beeindruckende Eigenschaft.
Die Pfoten des Geckos haben andere erstaunliche Fähigkeiten. Sie reinigen sich selbst, widerstehen der Haftung und standardmäßig sind Borsten und Pfoten voneinander getrennt. Diese Eigenschaften führten zu der Annahme, dass in Zukunft Klebstoffe, Bolzen und Nieten in einem einzigen Prozess hergestellt werden können, indem Keratin oder ähnliches Material auf verschiedene Schalungen aufgetragen wird.
4. Poröse Festigkeit
Die stärkste Form eines Festkörpers ist ein Einkristall wie Diamanten, in dem Atome in nahezu perfekter Reihenfolge von einem Ende des Objekts zum anderen stehen. Dinge wie Stahlstangen, Flugzeugrümpfe oder Autoauskleidungen sind keine ganzen Kristalle, sie sind polykristallin und haben eine Struktur ähnlich einem Mosaik aus Partikeln. Daher kann theoretisch die Festigkeit solcher Materialien verbessert werden, indem die Größe der Partikel erhöht wird oder indem die gesamte Struktur in einen Einkristall umgewandelt wird.
Kristalle sind sehr schwer, aber die Natur hat eine Lösung für dieses Problem in Form von nanostrukturierten Poren. Die resultierende Struktur, bekannt als
Mesokristall , ist die haltbarste Version in ihrem Gewicht. Die Stacheln von Seeigeln und Weichtieren mit Perlmuttschalen haben eine mesokristalline Struktur. Diese Kreaturen haben sehr leichte Muscheln, die in großen Tiefen mit hohem Druck existieren können.
Theoretisch können mesokristalline Materialien hergestellt werden, obwohl dies bei den heute bestehenden Verfahren komplexe Manipulationen erfordern würde. Winzige Nanopartikel müssen gedreht werden, bis sie sich mit atomarer Präzision mit anderen Teilen der wachsenden Mesokristalle ausrichten, und sie müssen auch um eine weiche Schicht herum aufgebaut werden, um letztendlich ein poröses Netzwerk zu erhalten.
5. Orientierung von Bakterien
Magnetotaktische Bakterien haben eine erstaunliche Fähigkeit, Magnetfelder, einschließlich des Erdfeldes, mithilfe kleiner Ketten von Nanokristallen - Magnetosomen - zu erfassen. Dies sind Körner von 30 bis 50 nm Größe, die entweder aus Magnetit (eine Form von Eisenoxid) oder seltener aus Greghit (eine Kombination aus Eisen und Schwefel) bestehen. Mehrere Merkmale von Magnetosomen wirken gleichzeitig, um eine faltbare „Kompassnadel“ zu erhalten, die um ein Vielfaches empfindlicher ist als menschliche Instrumente.
Obwohl diese „Sensoren“ nur für die Navigation über kurze Entfernungen verwendet werden (magnetotaktische Bakterien leben in Pfützen), ist ihre Genauigkeit unglaublich. Sie können nicht nur im Raum navigieren - eine variable Granulatgröße bedeutet die Fähigkeit, Informationen zu speichern, und Wachstum wird nur bei den magnetisch empfindlichsten Atomverbindungen beobachtet.
Da jedoch Sauerstoff und Schwefel sehr aktiv mit Eisen kombiniert werden und Magnetit, Gregit und weitere 50 verschiedene Verbindungen produzieren, von denen nur sehr wenige magnetisch sind, sind bemerkenswerte Fähigkeiten für die absichtliche Herstellung der richtigen Magnetosomenketten erforderlich. Solche Tricks liegen immer noch außerhalb unserer Möglichkeiten, aber in Zukunft könnte es in der Navigation möglich sein, eine Revolution zu machen, wenn Wissenschaftler lernen, solche Strukturen nachzuahmen.