Пять нанотехнологий от природы, способных вдохновить нас на новые разработки

Хотя нанотехнологию обычно описывают, как недавнее изобретение человека, в природе вообще-то можно встретить полно архитектур наномасштаба. Они лежат в основе жизненно важных функций различных форм жизни, от бактерий до ягод, от ос до китов. Использование нанотехнологий в природе можно отследить до природных структур, существовавших 500 млн лет назад. Приведём только лишь пять источников вдохновения, которые учёные могли бы использовать для создания технологий нового поколения:

1. Структурные цвета

Окраска некоторых типов жуков и бабочек ^[1] получается за счёт расположенных на необходимом расстоянии друг от друга наноскопических колонн. Они состоят из сахаров, например, хитозана ^[2], или белков, например, кератина ^[3]; ширина щелей между колоннами подобрана так, чтобы свет имел определённый цвет или блеск.

Преимущество такой стратегии – устойчивость. Пигменты на свету отбеливаются, а структурные цвета остаются стабильными удивительно долгое время. В недавнем исследовании ^[4] структурной окраски мраморных ягод ^[5] цвета синий металлик участвовали экземпляры, собранные ещё в 1974 году, которые поддерживают свой цвет несмотря на то, что уже давно мертвы.

Сложная архитектура щелей на крыльях бабочки Thecla opisena.

Ещё одно преимущество состоит в том, что цвет можно менять, варьируя размер и форму щелей, или заполняя поры жидкостью или паром. Часто признаком наличия структурной окраски служит бросающееся в глаза изменение цвета образца после погружения его в воду. Некоторые структуры на крыльях настолько чувствительны к плотности воздуха в щелях, что цвет меняется и в ответ на изменения температуры.

2. Видимость на дальних расстояниях

Кроме простого отражения света под углом для создания видимости цвета, некоторые ультратонкие слои щелевых панелей полностью разворачивают попадающие на них лучи света. Такое отражение и блокирование одновременно приводит к появлению удивительных оптических эффектов – например, бабочки ^[6], крылья которой можно разглядеть с 800 м ^[7], или жуков с ярко-белыми чешуйками ^[8] толщиной всего в 5 мкм. Эти структуры настолько впечатляющи, что они могут превосходить искусственно созданные предметы в 25 раз толще их.

3. Прилипание

Лапы геккона могут прочно связываться практически с любой твёрдой поверхностью за миллисекунды, и отрываться от неё без видимых усилий. Это прилипание имеет чисто физическую природу ^[9] без химического взаимодействия ^[10] лап с поверхностью.

Микро- и наноструктуры лап геккона

Активный липкий слой лап геккона – разветвлённый наноскопический слой щетины – «спатул». Длина спатул составляет 200 нм. Несколько тысяч таких спатул присоединены к «сете» микронного размера. Они состоят из очень гибкого кератина. Хотя исследования точного механизма присоединения и отсоединения спатул пока ещё ведутся, сам факт, что они способны работать без липких химикатов является впечатляющим свойством.

У лап геккона есть и другие удивительные способности. Они самоочищаются, сопротивляются слипанию и по умолчанию щетинки и лапки отделены друг от друга. Такие свойства привели к предположениям, что в будущем клеи, болты и заклёпки можно будет делать в едином процессе, нанеся кератин или похожий материал на разные опалубки.

4. Пористая прочность

Самая прочная форма любого твёрдого тела – единый кристалл, такой, как, алмазы, в котором атомы стоят в почти идеальном порядке с одного конца объекта для другого. Такие вещи, как стальные пруты, корпуса самолётов или обшивка автомобилей – это не кристаллы целиком, они поликристаллические, по структуре похожие на мозаику из частиц. Поэтому, в теории, прочность таких материалов можно улучшить, увеличив размер частиц, или же превратив всю структуру в единый кристалл.

Кристаллы бывают очень тяжёлыми, но у природы есть решение этой проблемы в виде наноструктурных пор. Итоговая структура, известная, как мезокристалл ^[11], представляет собой самый прочный вариант в своём весе. Позвоночники морских ежей и моллюски с перламутровыми раковинами имеют мезокристаллическую структуру. У этих существ очень лёгкие раковины, которые способны существовать на больших глубинах с высоким давлением.

Теоретически, мезокристаллические материалы можно изготавливать, хотя при существующих сегодня процессах для этого понадобились бы сложные манипуляции. Крохотные наночастицы нужно поворачивать до тех пор, пока они с атомной точностью не выровняются с другими частями растущих мезокристаллов, а ещё их необходимо выстраивать вокруг мягкой прослойки, чтобы в итоге получить пористую сеть.

5. Ориентирование бактерий

Магнетотактические бактерии ^[12] обладают удивительной способностью чувствовать магнитные поля, включая поле Земли, используя мелкие цепочки нанокристаллов – магнетосомы. Это зёрна размером от 30 до 50 нм, состоящие либо из магнетита (формы оксида железа), либо, что реже, из грегита [greghite] (сочетания железа с серой). Несколько особенностей магнетосом работают одновременно, чтобы получить складную «стрелку компаса», во много раз более чувствительную, чем человеческие инструменты.

Хотя эти «сенсоры» используются только для навигации на короткие расстояния (магнетотактические бактерии живут в лужах), их точность невероятна. Они могут не только ориентироваться в пространстве – переменный размер гранул означает способность сохранять информацию, а рост наблюдается только у наиболее магниточувствительных атомных соединений.

Однако поскольку кислород и сера весьма активно комбинируются с железом, производя магнетит, грегит и ещё 50 различных соединений, из которых магнитными оказывается совсем мало, для намеренного производства правильных магнетосомных цепочек требуются недюжинные навыки. Подобные трюки пока находятся за пределами наших возможностей, но в будущем в навигации, возможно, получится произвести революцию, если учёные научатся имитировать такие структуры.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[13]