Embora a nanotecnologia seja geralmente descrita como uma invenção recente do homem, na natureza, de fato, é possível encontrar arquiteturas completas em nanoescala. Eles estão subjacentes às funções vitais de várias formas de vida, de bactérias a bagas, de vespas a baleias. O uso da nanotecnologia na natureza remonta às estruturas naturais que existiam 500 milhões de anos atrás. Aqui estão apenas cinco fontes de inspiração que os cientistas poderiam usar para criar novas tecnologias de geração:
1. Cores estruturais
A coloração de certos tipos de
besouros e borboletas é obtida devido a colunas nanoscópicas localizadas à distância necessária uma da outra. Eles consistem em açúcares, por exemplo,
quitosana ou proteínas, por exemplo,
queratina ; a largura dos slots entre as colunas é selecionada para que a luz tenha uma determinada cor ou brilho.
A vantagem dessa estratégia é a sustentabilidade. Os pigmentos da luz são clareados e as cores estruturais permanecem estáveis por um tempo incrivelmente longo. Um
estudo recente
sobre a coloração estrutural de
bagas de mármore azul metálico envolveu espécimes coletados em 1974, que mantêm sua cor apesar do fato de estarem mortos há muito tempo.
A arquitetura complexa das rachaduras nas asas da borboleta Thecla opisena.
Outra vantagem é que a cor pode ser alterada variando o tamanho e a forma das lacunas ou enchendo os poros com líquido ou vapor. Muitas vezes, um sinal de coloração estrutural é uma mudança marcante na cor da amostra após imersão em água. Algumas estruturas nas asas são tão sensíveis à densidade do ar nas fendas que a cor muda em resposta às mudanças de temperatura.
2. Visibilidade a longa distância
Além de simplesmente refletir a luz em um ângulo para criar a aparência da cor, algumas camadas ultrafinas de painéis de fenda implantam totalmente os raios de luz que os atingem. Tal reflexão e bloqueio simultaneamente levam ao aparecimento de incríveis efeitos ópticos - por exemplo, uma
borboleta cujas asas podem ser vistas a
800 m , ou besouros com
escamas brancas brilhantes com apenas 5 mícrons de espessura. Essas estruturas são tão impressionantes que podem exceder objetos criados artificialmente 25 vezes mais espessos do que eles.
3. Adesão
As patas da lagartixa podem se unir firmemente a praticamente qualquer superfície dura em milissegundos e sair sem esforço visível. Essa adesão é
puramente física por natureza, sem a
interação química das patas com a superfície.
Micro e nanoestruturas de patas de lagartixa
A camada pegajosa ativa das patas da lagartixa é uma camada nanoscópica ramificada de cerdas - "espátula". O comprimento da espátula é de 200 nm. Vários milhares desses espátulas estão ligados ao "conjunto" do tamanho de um mícron. Eles consistem em queratina muito flexível. Embora ainda estejam em andamento estudos sobre o mecanismo exato de fixação e remoção de espátulas, o próprio fato de serem capazes de trabalhar sem produtos químicos pegajosos é uma propriedade impressionante.
As patas da lagartixa têm outras habilidades incríveis. Eles se auto limpam, resistem à adesão e, por padrão, as cerdas e as patas são separadas uma da outra. Tais propriedades levaram à suposição de que, no futuro, adesivos, parafusos e rebites podem ser feitos em um único processo, aplicando queratina ou material similar a diferentes formas.
4. Força porosa
A forma mais forte de qualquer sólido é um único cristal, como os diamantes, no qual os átomos ficam em uma ordem quase perfeita de uma extremidade ao outro do objeto. Coisas como barras de aço, cascos de aviões ou forros de automóveis não são cristais inteiros, são policristalinos, em estrutura semelhante a um mosaico de partículas. Portanto, em teoria, a resistência desses materiais pode ser melhorada aumentando o tamanho das partículas ou transformando toda a estrutura em um único cristal.
Os cristais são muito pesados, mas a natureza tem uma solução para esse problema na forma de poros nanoestruturados. A estrutura resultante, conhecida como
mesocristais , é a versão mais durável em seu peso. Os espinhos de ouriços do mar e moluscos com conchas peroladas têm uma estrutura mesocristalina. Essas criaturas têm conchas muito leves que podem existir em grandes profundidades com alta pressão.
Teoricamente, materiais mesocristalinos podem ser fabricados, embora, com os processos existentes hoje, isso exija manipulações complexas. Nanopartículas minúsculas precisam ser giradas até que se alinhem com outras partes dos mesocristais em crescimento com precisão atômica, e também precisam ser construídas em torno de uma camada macia para obter uma rede porosa.
5. Orientação de bactérias
As bactérias magnetotáticas têm uma incrível capacidade de detectar campos magnéticos, incluindo o campo da Terra, usando pequenas cadeias de nanocristais - magnetossomas. São grãos de 30 a 50 nm de tamanho, constituídos por magnetita (uma forma de óxido de ferro) ou, menos comumente, por greghita (uma combinação de ferro e enxofre). Vários recursos dos magnetossomas funcionam simultaneamente para obter uma "agulha da bússola" dobrável, muitas vezes mais sensível que os instrumentos humanos.
Embora esses "sensores" sejam utilizados apenas para navegação em distâncias curtas (as bactérias magnetotáticas vivem em poças), sua precisão é incrível. Eles não podem apenas navegar no espaço - um tamanho variável de grânulo significa a capacidade de armazenar informações, e o crescimento é observado apenas nos compostos atômicos magneticamente sensíveis.
No entanto, como o oxigênio e o enxofre são combinados ativamente com o ferro, produzindo magnetita, gregita e outros 50 compostos diferentes, dos quais muito poucos são magnéticos, são necessárias habilidades notáveis para a produção intencional das cadeias de magnetossomas corretas. Esses truques ainda estão além de nossas capacidades, mas no futuro na navegação, pode ser possível fazer uma revolução se os cientistas aprenderem a imitar essas estruturas.