Bien que la nanotechnologie soit généralement décrite comme une invention récente de l'homme, dans la nature, en fait, on peut rencontrer des architectures à l'échelle nanométrique. Ils sous-tendent les fonctions vitales de diverses formes de vie, des bactéries aux baies, des guêpes aux baleines. L'utilisation de la nanotechnologie dans la nature remonte aux structures naturelles qui existaient il y a 500 millions d'années. Voici cinq sources d'inspiration que les scientifiques pourraient utiliser pour créer des technologies de nouvelle génération:
1. Couleurs structurelles
La coloration de certains types de
coléoptères et de papillons est obtenue grâce à des colonnes nanoscopiques situées à la distance requise les unes des autres. Ils sont constitués de sucres, par exemple, le
chitosane , ou de protéines, par exemple, la
kératine ; la largeur des fentes entre les colonnes est sélectionnée de sorte que la lumière ait une certaine couleur ou un certain éclat.
L'avantage de cette stratégie est la durabilité. Les pigments à la lumière sont blanchis et les couleurs structurelles restent stables pendant une durée étonnamment longue. Une
étude récente
de la coloration structurale des
baies de marbre bleu métallique a impliqué des spécimens collectés en 1974, qui conservent leur couleur malgré le fait qu'ils soient morts depuis longtemps.
L'architecture complexe des fissures sur les ailes du papillon Thecla opisena.
Un autre avantage est que la couleur peut être modifiée en faisant varier la taille et la forme des interstices, ou en remplissant les pores de liquide ou de vapeur. Souvent, un signe de coloration structurelle est un changement saisissant de couleur de l'échantillon après immersion dans l'eau. Certaines structures sur les ailes sont si sensibles à la densité de l'air dans les crevasses que la couleur change en réponse aux changements de température.
2. Visibilité longue distance
En plus de simplement réfléchir la lumière à un angle pour créer l'apparence de la couleur, certaines couches ultra-minces de panneaux fendus déploient pleinement les rayons de lumière qui les frappent. Une telle réflexion et un blocage conduisent simultanément à l'apparition d'effets optiques étonnants - par exemple, un
papillon , dont les ailes peuvent être vues à
800 m , ou des coléoptères avec
des écailles blanches brillantes de seulement 5 microns d'épaisseur. Ces structures sont si impressionnantes qu'elles peuvent dépasser des objets créés artificiellement 25 fois plus épais qu'eux.
3. Adhésion
Les pattes du gecko peuvent adhérer fermement à presque toutes les surfaces dures en quelques millisecondes et s'en détacher sans effort visible. Cette adhérence est
de nature purement physique sans
interaction chimique des pattes avec la surface.
Micro et nanostructures des pattes de gecko
La couche collante active des pattes du gecko est une couche nanoscopique ramifiée de poils - «spatul». La longueur de la spatule est de 200 nm. Plusieurs milliers de ces spatules sont attachées au «set» de taille micrométrique. Ils sont constitués de kératine très flexible. Bien que des études sur le mécanisme exact de fixation et de détachement des spatules soient toujours en cours, le fait même qu'elles soient capables de fonctionner sans produits chimiques collants est une propriété impressionnante.
Les pattes du gecko ont d'autres capacités incroyables. Ils s'auto-nettoient, résistent à l'adhérence et, par défaut, les poils et les pattes sont séparés les uns des autres. Ces propriétés ont conduit à supposer qu'à l'avenir, les adhésifs, les boulons et les rivets pourraient être fabriqués en un seul processus en appliquant de la kératine ou un matériau similaire sur différents coffrages.
4. Résistance poreuse
La forme la plus forte de tout solide est un monocristal, comme les diamants, dans lequel les atomes se tiennent dans un ordre presque parfait d'une extrémité à l'autre de l'objet. Des choses comme des tiges d'acier, des coques d'avion ou des revêtements de voitures ne sont pas des cristaux entiers, elles sont polycristallines, de structure similaire à une mosaïque de particules. Par conséquent, en théorie, la résistance de ces matériaux peut être améliorée en augmentant la taille des particules ou en transformant la structure entière en un seul cristal.
Les cristaux sont très lourds, mais la nature a une solution à ce problème sous la forme de pores nanostructurés. La structure résultante, connue sous le nom de
mésocristal , est la version la plus durable de son poids. Les épines des oursins et des mollusques à coquille nacrée ont une structure mésocristalline. Ces créatures ont des coquilles très légères qui peuvent exister à de grandes profondeurs avec une pression élevée.
Théoriquement, des matériaux mésocristallins peuvent être fabriqués, bien qu'avec les procédés existants aujourd'hui, cela nécessiterait des manipulations complexes. De minuscules nanoparticules doivent être tournées jusqu'à ce qu'elles s'alignent avec d'autres parties des mésocristaux en croissance avec une précision atomique, et elles doivent également être construites autour d'une couche molle afin d'obtenir finalement un réseau poreux.
5. Orientation des bactéries
Les bactéries magnétotactiques ont une capacité incroyable à détecter les champs magnétiques, y compris le champ terrestre, à l'aide de petites chaînes de nanocristaux - les magnétosomes. Ce sont des grains de 30 à 50 nm, constitués soit de magnétite (une forme d'oxyde de fer), soit, plus rarement, de greghite (une combinaison de fer et de soufre). Plusieurs caractéristiques des magnétosomes fonctionnent simultanément pour obtenir une «aiguille de boussole» pliante, beaucoup plus sensible que les instruments humains.
Bien que ces «capteurs» ne soient utilisés que pour la navigation sur de courtes distances (les bactéries magnétotactiques vivent dans les flaques), leur précision est incroyable. Ils ne peuvent pas seulement naviguer dans l'espace - une taille de granule variable signifie la capacité de stocker des informations, et la croissance n'est observée que dans les composés atomiques les plus sensibles magnétiquement.
Cependant, comme l'oxygène et le soufre sont très activement combinés avec le fer, produisant de la magnétite, de la grégite et 50 autres composés différents, dont très peu sont magnétiques, des compétences remarquables sont requises pour la production intentionnelle des chaînes de magnétosomes correctes. De telles astuces sont encore au-delà de nos capacités, mais à l'avenir dans la navigation, il sera possible de faire une révolution si les scientifiques apprennent à imiter de telles structures.