Hoewel nanotechnologie wordt afgeschilderd als een vrij recente menselijke uitvinding, de natuur zit eigenlijk vol met nanoscopische architecturen. Ze ondersteunen de essentiële functies van een verscheidenheid aan levensvormen, van bacteriën tot bessen, wespen tot walvissen.

In feite, tactvol gebruik van de principes van nanowetenschap kan worden herleid tot natuurlijke structuren die meer dan 500 miljoen jaar oud zijn. Hieronder staan ​​slechts vijf inspiratiebronnen die wetenschappers kunnen gebruiken om de volgende generatie menselijke technologie te creëren.

1. Structurele kleuren

De kleuring van verschillende soorten kevers en vlinders wordt geproduceerd door sets zorgvuldig uit elkaar geplaatste nanoscopische pilaren. Gemaakt van suikers zoals chitosan, of eiwitten zoals keratine, de breedtes van de spleten tussen de pilaren zijn ontworpen om licht te manipuleren om bepaalde kleuren of effecten zoals irisatie te bereiken.

Een voordeel van deze strategie is veerkracht. Pigmenten hebben de neiging om te bleken bij blootstelling aan licht, maar structurele kleuren zijn opmerkelijk lang stabiel. Een recente studie van structurele kleuring in metaalblauwe marmerbessen, bijvoorbeeld, aanbevolen exemplaren verzameld in 1974, die hun kleur hadden behouden ondanks dat ze al lang dood waren.

Een ander voordeel is dat de kleur kan worden veranderd door simpelweg de grootte en vorm van de spleten te variëren, en door de poriën ook met vloeistoffen of dampen te vullen. In feite, vaak is de eerste aanwijzing voor de aanwezigheid van structurele kleuring een levendige kleurverandering nadat het monster in water is gedrenkt. Sommige vleugelstructuren zijn zo gevoelig voor luchtdichtheid in de spleten dat kleurveranderingen ook worden gezien als reactie op de temperatuur.

2. Zichtbaarheid op lange afstand

Naast het eenvoudig afbuigen van licht onder een hoek om het uiterlijk van kleur te bereiken, sommige ultradunne lagen spleetpanelen keren de richting van de beweging van lichtstralen volledig om. Deze afbuiging en blokkering van licht kunnen samenwerken om verbluffende optische effecten te creëren, zoals de vleugels van een enkele vlinder met een zicht van 800 meter, en kevers met schitterende witte schubben, het meten van een slanke vijf micrometer. In feite, deze constructies zijn zo indrukwekkend dat ze beter presteren dan kunstmatig ontworpen constructies die 25 keer dikker zijn.

3. Adhesie:

Gekkovoeten kunnen zich in milliseconden stevig aan vrijwel elk vast oppervlak hechten, en losmaken zonder zichtbare inspanning. Deze hechting is puur fysiek zonder chemische interactie tussen de voeten en het oppervlak.

De actieve kleeflaag van de voet van de gekko is een vertakte nanoscopische laag van borstelharen die "spatels" worden genoemd. die ongeveer 200 nanometer lang zijn. Enkele duizenden van deze spatels zijn bevestigd aan "seta" ter grootte van een micron. Beide zijn gemaakt van zeer flexibele keratine. Hoewel het onderzoek naar de fijnere details van het bevestigings- en losmaakmechanisme van de spatels aan de gang is, het feit dat ze werken zonder kleverige chemicaliën is een indrukwekkend staaltje ontwerp.

Gecko's voeten hebben ook andere fascinerende eigenschappen. Ze zijn zelfreinigend, bestand tegen zelfmatting (de seta plakken niet aan elkaar) en zijn standaard los (ook van elkaar). Deze functies hebben geleid tot suggesties die in de toekomst, lijmen, schroeven en klinknagels kunnen allemaal in één proces worden gemaakt, gieten van keratine of soortgelijk materiaal in verschillende vormen.

4. Poreuze sterkte

De sterkste vorm van een vaste stof is de eenkristaltoestand - denk aan diamanten - waarin atomen in bijna perfecte volgorde aanwezig zijn van het ene uiteinde van het object naar het andere. Dingen zoals stalen staven, vliegtuigcarrosserieën en autopanelen zijn niet monokristallijn, maar polykristallijn, vergelijkbaar in structuur met een mozaïek van korrels. Dus, in theorie, de sterkte van deze materialen kan worden verbeterd door de korrelgrootte te vergroten, of door de hele structuur enkelkristallijn te maken.

Enkele kristallen kunnen erg zwaar zijn, maar de natuur heeft hier een oplossing voor in de vorm van nanogestructureerde poriën. De resulterende structuur - een mesokristal - is de sterkste vorm van een bepaalde vaste stof voor zijn gewichtscategorie. Zee-egelstekels en parelmoer (parelmoer) zijn beide gemaakt van mesokristallijne vormen. Deze wezens hebben lichtgewicht schelpen en kunnen toch op grote diepten verblijven waar de druk hoog is.

In theorie, mesokristallijne materialen kunnen worden vervaardigd, hoewel het gebruik van bestaande processen veel ingewikkelde manipulatie zou vergen. Kleine nanodeeltjes zouden rondgedraaid moeten worden totdat ze met atomaire precisie op één lijn liggen met andere delen van de groeiende mesocrystals, en dan zouden ze samen moeten worden gegeleerd rond een zachte spacer om uiteindelijk een poreus netwerk te vormen.

5. Bacteriële navigatie

Magnetotactische bacteriën hebben het buitengewone vermogen om minuscule magnetische velden waar te nemen, inclusief die van de aarde, met behulp van kleine ketens van nanokristallen die magnetosomen worden genoemd. Dit zijn korrels met een grootte tussen 30-50 nanometer, gemaakt van ofwel magnetiet (een vorm van ijzeroxide) of, minder algemeen, greghite (een combinatie van ijzerzwavel). Verschillende kenmerken van magnetosomen werken samen om een ​​opvouwbare "kompasnaald" te produceren, vele malen gevoeliger dan door mensen gemaakte tegenhangers.

Hoewel deze "sensoren" alleen worden gebruikt voor het navigeren over korte afstanden (magnetotactische bacteriën leven in vijvers), hun precisie is ongelooflijk. Ze vinden niet alleen hun weg, maar variërende korrelgrootte betekent dat ze informatie kunnen vasthouden, terwijl de groei beperkt is tot de meest magnetisch gevoelige atomaire arrangementen.

Echter, omdat zuurstof en zwavel vraatzuchtig met ijzer combineren om magnetiet te produceren, greghite of meer dan 50 andere verbindingen - waarvan er slechts enkele magnetisch zijn - grote vaardigheid is vereist om selectief de juiste vorm te produceren, en maak de magnetosoomketens. Dergelijke behendigheid is momenteel buiten ons bereik, maar toekomstige navigatie kan een revolutie teweegbrengen als wetenschappers leren hoe ze deze structuren kunnen nabootsen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.