Aunque la nanotecnología generalmente se describe como una invención reciente del hombre, de hecho, en la naturaleza, uno puede encontrar arquitecturas completas a nanoescala. Subrayan las funciones vitales de varias formas de vida, desde bacterias hasta bayas, desde avispas hasta ballenas. El uso de la nanotecnología en la naturaleza se remonta a las estructuras naturales que existieron hace 500 millones de años. Aquí hay solo cinco fuentes de inspiración que los científicos podrían usar para crear tecnologías de nueva generación:
1. Colores estructurales
La coloración de ciertos tipos de
escarabajos y mariposas se obtiene debido a las columnas nanoscópicas ubicadas a la distancia requerida entre sí. Consisten en azúcares, por ejemplo,
quitosano o proteínas, por ejemplo,
queratina ; Se selecciona el ancho de las ranuras entre las columnas para que la luz tenga un cierto color o brillo.
La ventaja de esta estrategia es la sostenibilidad. Los pigmentos de la luz se blanquean y los colores estructurales permanecen estables durante un tiempo increíblemente largo. Un
estudio reciente
de la coloración estructural de las
bayas de mármol azul metálico involucró especímenes recolectados en 1974, que mantienen su color a pesar del hecho de que han estado muertos durante mucho tiempo.
La compleja arquitectura de las grietas en las alas de Thecla opisena butterfly.
Otra ventaja es que el color se puede cambiar variando el tamaño y la forma de los espacios, o llenando los poros con líquido o vapor. A menudo, un signo de coloración estructural es un cambio sorprendente en el color de la muestra después de la inmersión en agua. Algunas estructuras en las alas son tan sensibles a la densidad del aire en las grietas que el color cambia en respuesta a los cambios de temperatura.
2. Visibilidad a larga distancia
Además de simplemente reflejar la luz en un ángulo para crear la apariencia de color, algunas capas ultrafinas de paneles con hendiduras despliegan completamente los rayos de luz que los golpean. Tal reflejo y bloqueo simultáneamente llevan a la aparición de sorprendentes efectos ópticos, por ejemplo, una
mariposa , cuyas alas se pueden ver desde
800 m , o escarabajos con
escamas blancas brillantes de solo 5 micras de espesor. Estas estructuras son tan impresionantes que pueden superar los objetos creados artificialmente 25 veces más gruesas que ellas.
3. Adhesión
Las patas del gecko pueden unirse firmemente con casi cualquier superficie dura en milisegundos y desprenderse sin esfuerzo visible. Esta adhesión es
de naturaleza puramente física sin la
interacción química de las patas con la superficie.
Micro y nanoestructuras de patas de geco
La capa adhesiva activa de las patas del gecko es una capa ramificada de cerdas nanoscópicas: "espátula". La longitud de la espátula es de 200 nm. Varios miles de estas espátulas están unidas al "set" de tamaño micrónico. Consisten en queratina muy flexible. Aunque los estudios sobre el mecanismo exacto de fijación y desprendimiento de las espátulas aún están en curso, el hecho de que puedan trabajar sin productos químicos pegajosos es una propiedad impresionante.
Las patas del geco tienen otras habilidades asombrosas. Se autoliminan, resisten la adhesión y, por defecto, las cerdas y las patas están separadas entre sí. Dichas propiedades llevaron a la suposición de que en el futuro los adhesivos, pernos y remaches se pueden hacer en un solo proceso aplicando queratina o material similar a diferentes encofrados.
4. resistencia porosa
La forma más fuerte de cualquier sólido es un cristal único, como los diamantes, en el que los átomos se encuentran en un orden casi perfecto de un extremo del objeto al otro. Cosas como varillas de acero, cascos de aviones o revestimientos de automóviles no son cristales enteros, son policristalinos, en una estructura similar a un mosaico de partículas. Por lo tanto, en teoría, la resistencia de tales materiales puede mejorarse aumentando el tamaño de las partículas o convirtiendo toda la estructura en un solo cristal.
Los cristales son muy pesados, pero la naturaleza tiene una solución a este problema en forma de poros nanoestructurados. La estructura resultante, conocida como
mesocristal , es la versión más duradera en su peso. Las espinas de los erizos de mar y los moluscos con conchas nacaradas tienen una estructura mesocristalina. Estas criaturas tienen conchas muy ligeras que pueden existir a grandes profundidades con alta presión.
Teóricamente, se pueden fabricar materiales mesocristalinos, aunque con los procesos existentes hoy en día esto requeriría manipulaciones complejas. Las pequeñas nanopartículas deben rotarse hasta que se alineen con otras partes de los mesocristales en crecimiento con precisión atómica, y también deben construirse alrededor de una capa blanda para obtener una red porosa.
5. Orientación de las bacterias.
Las bacterias magnetotácticas tienen una capacidad asombrosa para detectar campos magnéticos, incluido el campo de la Tierra, utilizando pequeñas cadenas de nanocristales: magnetosomas. Estos son granos de 30 a 50 nm de tamaño, que consisten en magnetita (una forma de óxido de hierro) o, menos comúnmente, en greghita (una combinación de hierro y azufre). Varias características de los magnetosomas funcionan simultáneamente para obtener una "aguja de compás" plegable, muchas veces más sensible que los instrumentos humanos.
Aunque estos "sensores" se usan solo para la navegación en distancias cortas (las bacterias magnetotácticas viven en charcos), su precisión es increíble. No solo pueden navegar en el espacio: un tamaño de gránulo variable significa la capacidad de almacenar información, y el crecimiento se observa solo en los compuestos atómicos más sensibles magnéticamente.
Sin embargo, dado que el oxígeno y el azufre se combinan muy activamente con el hierro, produciendo magnetita, gregita y otros 50 compuestos diferentes, de los cuales muy pocos son magnéticos, se requieren habilidades notables para la producción intencional de las cadenas correctas de magnetosomas. Dichos trucos aún están más allá de nuestras capacidades, pero en el futuro en la navegación, puede ser posible hacer una revolución si los científicos aprenden a imitar tales estructuras.