ห้าวิธีที่นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบของมนุษย์

Anonim

แม้ว่านาโนเทคโนโลยีจะแสดงให้เห็นว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์ที่ค่อนข้างทันสมัย ​​แต่ธรรมชาติก็เต็มไปด้วยสถาปัตยกรรมแบบนาโน พวกเขาหนุนการทำงานที่สำคัญของความหลากหลายของรูปแบบของชีวิตจากเชื้อแบคทีเรียเพื่อผลเบอร์รี่, แตนต่อปลาวาฬ

ในความเป็นจริงการใช้หลักการของนาโนศาสตร์อย่างตรงไปตรงมาสามารถโยงไปถึงโครงสร้างตามธรรมชาติซึ่งมีอายุมากกว่า 500 ล้านปี ด้านล่างเป็นเพียงแหล่งที่มาของแรงบันดาลใจห้าอย่างที่นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ในการสร้างเทคโนโลยีของมนุษย์ในยุคต่อไป

1. สีโครงสร้าง

การทำสีของแมลงและผีเสื้อหลายชนิดเกิดจากชุดเสานาโนที่มีระยะห่างกันอย่างระมัดระวัง ทำจากน้ำตาลเช่นไคโตซานหรือโปรตีนเช่นเคราตินความกว้างของรอยต่อระหว่างเสาถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมแสงเพื่อให้ได้สีหรือลักษณะพิเศษบางอย่างเช่นสีส้ม

ประโยชน์อย่างหนึ่งของกลยุทธ์นี้คือความยืดหยุ่น เม็ดสีมีแนวโน้มที่จะฟอกสีด้วยการสัมผัสกับแสง แต่สีของโครงสร้างมีเสถียรภาพเป็นเวลานานอย่างน่าทึ่ง การศึกษาล่าสุดเกี่ยวกับการกำหนดสีโครงสร้างในผลึกหินอ่อนสีฟ้าโลหะตัวอย่างเช่นตัวอย่างที่เก็บในปีพ. ศ. 2517 ซึ่งรักษาสีได้แม้จะมีอายุยาวนาน

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือสีสามารถเปลี่ยนได้โดยการเปลี่ยนขนาดและรูปทรงของช่องโดยการเติมรูพรุนด้วยของเหลวหรือไอระเหยด้วย ในความเป็นจริงมักจะเป็นเบาะแสแรกในการปรากฏตัวของสีที่มีโครงสร้างเป็นสีที่เปลี่ยนแปลงหลังจากที่ตัวอย่างถูกแช่ในน้ำ บางโครงสร้างปีกมีความไวต่อความหนาแน่นของอากาศในช่องที่มีการเปลี่ยนแปลงของสีตามอุณหภูมิที่มากเกินไป

2. การมองเห็นในระยะไกล

นอกเหนือจากการหักเหแสงที่มุมเพื่อให้ได้รูปลักษณ์ของสีแล้วบางแผ่นบางเฉียบยังสามารถย้อนทิศทางการเดินทางของแสงได้อย่างสมบูรณ์ การโก่งและการปิดกั้นแสงนี้สามารถทำงานร่วมกันเพื่อสร้างเอฟเฟกต์แสงที่สวยงามเช่นปีกผีเสื้อตัวเดียวที่มีการแสดงผลครึ่งไมล์และแมลงปีกแข็งที่มีเกล็ดสีขาวที่ยอดเยี่ยมวัดขนาด 5 micrometers บางเฉียบ ในความเป็นจริงโครงสร้างเหล่านี้เป็นที่น่าประทับใจมากที่พวกเขาสามารถมีประสิทธิภาพดีกว่าโครงสร้างทางวิศวกรรมเทียมที่มีความหนา 25 เท่า

3. การยึดเกาะ

เท้าตุ๊กแกสามารถผูกแน่นกับพื้นผิวที่เป็นของแข็งในมิลลิวินาทีและถอดออกได้โดยไม่ต้องใช้ความพยายามใด ๆ การยึดเกาะนี้เป็นทางกายภาพที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ทางเคมีระหว่างเท้ากับพื้นผิว

ชั้นกาวที่ใช้งานอยู่ของเท้าของตุ๊กตุคือชั้น nanoscopic ที่แยกตัวของขนแปรงเรียกว่า "spatulae" ซึ่งวัดความยาวประมาณ 200 นาโนเมตร หมุด้ำหลายพันชิ้นเหล่านี้ยึดติดกับ "seta" ขนาดไมครอน ทั้งสองทำจากเคราตินที่ยืดหยุ่นมาก แม้ว่าการวิจัยในรายละเอียดปลีกย่อยเกี่ยวกับกลไกการยึดติดและการถอดชิ้นส่วนของ spatulae กำลังดำเนินอยู่อย่างต่อเนื่อง แต่ความจริงที่ว่าพวกเขาทำงานโดยไม่มีสารเคมีเหนียวเป็นผลงานที่น่าประทับใจในการออกแบบ

เท้าตุ๊กแกมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอื่น ๆ ด้วย พวกเขาสามารถทำความสะอาดตัวเองทนต่อการปูด้วยตัวเอง (seta ไม่ติดกัน) และถูกแยกออกโดยค่าเริ่มต้น (รวมทั้งจากกันและกัน) คุณลักษณะเหล่านี้ได้รับการพร้อมท์คำแนะนำว่าในอนาคตกาวสกรูและหมุดทั้งหมดอาจทำจากกระบวนการเดียวหล่อเคอร์ตินหรือวัสดุที่คล้ายกันลงในแม่พิมพ์ที่ต่างกัน

4. ความพรุน

รูปแข็งที่สุดของของแข็งใด ๆ คือสถานะคริสตัลเดี่ยว - คิดว่าเพชร - ซึ่งอะตอมมีอยู่ในลำดับที่ใกล้ที่สุดจากปลายด้านหนึ่งของวัตถุไปยังอีก สิ่งของต่างๆเช่นแท่งเหล็กตัวถังอากาศยานและแผงรถยนต์ไม่ได้เป็นผลึกเดี่ยว แต่มีโครงสร้างหลายแบบคล้ายกับโครงสร้างโมเสกของธัญพืช ดังนั้นในทางทฤษฎีความแข็งแรงของวัสดุเหล่านี้อาจได้รับการปรับปรุงโดยการเพิ่มขนาดเม็ดหรือโดยการทำให้โครงสร้างทั้งหมดเป็นผลึกเดี่ยว

ผลึกเดี่ยวอาจมีน้ำหนักมาก แต่ธรรมชาติมีวิธีแก้ปัญหานี้ในรูปของรูขุมขน โครงสร้างผลลัพธ์ - meso-crystal - เป็นรูปแบบที่แข็งแกร่งที่สุดของของแข็งที่ให้สำหรับประเภทน้ำหนักของมัน ไส้เดือนทะเลและมุก (แม่ของไข่มุก) มีทั้งแบบฟอร์มผลึกแก้วผลึก สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีเปลือกหอยที่มีน้ำหนักเบาและยังสามารถอาศัยอยู่ได้ในระดับความลึกที่มีความดันสูง

ในทางทฤษฎีวัสดุที่เป็นผลึกแก้วสามารถผลิตได้แม้ว่าการใช้กระบวนการที่มีอยู่จะต้องยุ่งยากมาก อนุภาคนาโนเล็ก ๆ จะต้องหมุนวนไปรอบ ๆ จนกว่าพวกเขาจะขึ้นกับความแม่นยำของอะตอมไปยังชิ้นส่วนอื่น ๆ ของ mesocrystals ที่กำลังเติบโตและจากนั้นพวกเขาก็จะต้องมีการเจือจางด้วยกันรอบ ๆ spacer นุ่มเพื่อสร้างเครือข่ายที่มีรูพรุนในที่สุด

5. การนำแบคทีเรีย

แบคทีเรียแม็กเนติกแบคทีเรียมีความสามารถพิเศษในการตรวจจับสนามแม่เหล็กนาทีรวมถึงของโลกด้วยการใช้โซ่ขนาดเล็กของ nanocrystals ที่เรียกว่า magnetosomes เหล่านี้เป็นเมล็ดขนาดระหว่าง 30-50 นาโนเมตรทำจาก magnetite (รูปแบบของเหล็กออกไซด์) หรือน้อยกว่าปกติ greghite (คำสั่งผสมกำมะถันเหล็ก) คุณลักษณะหลายอย่างของ magnetosomes ทำงานร่วมกันเพื่อผลิตเข็มเข็มทิศแบบพับได้ซึ่งมีความรู้สึกไวกว่ามนุษย์ที่ทำมาหลายครั้ง

แม้ว่า "เซ็นเซอร์" เหล่านี้ใช้สำหรับการเดินเรือในระยะใกล้ ๆ เท่านั้น (แบคทีเรียที่เป็นตัวกลางในการดักจับแมลงมีอยู่ในบ่อ) ความแม่นยำของพวกมันก็เหลือเชื่อ ไม่เพียง แต่พวกเขาสามารถหาทางของพวกเขา แต่ขนาดของเมล็ดที่แตกต่างกันหมายความว่าพวกเขาสามารถเก็บรักษาข้อมูลได้ขณะที่การเจริญเติบโตถูก จำกัด ไว้สำหรับการจัดเรียงอะตอมที่มีความรู้สึกไวต่อสนามแม่เหล็กมากที่สุด

อย่างไรก็ตามในขณะที่ออกซิเจนและกำมะถันรวมกันอย่างหยาบโลนด้วยเหล็กเพื่อผลิต magnetite, greghite หรือสารประกอบอื่น ๆ อีกกว่า 50 ชนิดซึ่งเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่เป็นแม่เหล็ก - ต้องใช้ทักษะที่ยอดเยี่ยมในการเลือกรูปแบบที่ถูกต้องและสร้างโซ่ magnetosome ความชำนาญดังกล่าวปัจจุบันอยู่นอกเหนือขอบเขตของเรา แต่การนาวิเกตในอนาคตอาจได้รับการปฏิวัติหากนักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้วิธีเลียนแบบโครงสร้างเหล่านี้

menu
menu