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中国微米纳米技术学会

CHINESE SOCIETY OF MICRO-NANO TECHNOLOGY

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「纳米 结构设计」天然纳米结构可以激发人类设计的五种方式

「纳米 结构设计」天然纳米结构可以激发人类设计的五种方式

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【摘要】:
自然界充满了纳米结构。科学家可以由纳米结构带来的颜色、能见度、粘附力、强度和磁性导航等角度来寻找新的结构设计灵感。虽然纳米技术被描绘成一项相当新的人类发明,但自然界实际上充满了纳米结构。它们支撑着从细菌到浆果、黄蜂到鲸鱼等多种生命形式的基本功能。事实上,巧妙地运用纳米科学原理可以追溯到有超过5亿年历史的自然结构。以下是科学家可以用来创造下一代人类技术的五个灵感来源。1.结构颜色几种类型的甲虫和蝴蝶

自然界充满了纳米结构。科学家可以由纳米结构带来的颜色、能见度、粘附力、强度和磁性导航等角度来寻找新的结构设计灵感。

虽然纳米技术被描绘成一项相当新的人类发明,但自然界实际上充满了纳米结构。它们支撑着从细菌到浆果、黄蜂到鲸鱼等多种生命形式的基本功能。事实上,巧妙地运用纳米科学原理可以追溯到有超过5亿年历史的自然结构。以下是科学家可以用来创造下一代人类技术的五个灵感来源。

1.结构颜色

几种类型的甲虫和蝴蝶的着色是由一组仔细隔开的纳米柱产生的。由壳聚糖等糖类或角蛋白等蛋白质制成,柱子之间的狭缝宽度被设计成操纵光线以达到某些颜色或效果,如彩虹色。

「纳米 结构设计」天然纳米结构可以激发人类设计的五种方式

 

这一策略的好处之一是恢复能力。由于暴露在光线下,色素倾向于漂白,但结构颜色在相当长的时间内是稳定的。例如,最近一项关于金属-蓝色大理石浆果结构着色的研究,以1974年采集的标本为特征,这些标本尽管早已死去,但仍保持其颜色。

另一个优点是,只要改变狭缝的大小和形状,或用液体或蒸气填充毛孔,就可以改变颜色。事实上,结构着色存在的第一条线索往往是在样品浸入水中后,颜色发生了生动的变化。一些机翼结构对狭缝中的空气密度非常敏感,因此,温度也会引起颜色的变化。

「纳米 结构设计」天然纳米结构可以激发人类设计的五种方式

 

图:蝴蝶翅膀复杂的狭缝(来源:Science Advances / Wilts等)

2.远距离能见度

除了简单地以一定角度偏转光以改变颜色外观之外,一些超薄的切割面板层完全反转了光线行进的方向。这种光的偏转和阻挡可以共同产生令人惊叹的光学效果,例如具有半英里能见度的单个蝴蝶翅膀,以及具有明亮白色鳞片的甲虫,尺寸为5微米。事实上,这些结构令人印象深刻,它们可以胜过厚度增加25倍的人工设计结构。

3.粘附力

壁虎脚可以在几毫秒内牢固地粘合到几乎任何固体表面,并且可以毫不费力地分离。这种粘附是纯物理的,脚和表面之间没有化学相互作用。

壁虎脚的活性粘合剂层是分支的纳米级刷毛层,称为“刮刀”,其长度约为200纳米。这些刮刀中有数千个与微米尺寸的“seta”相连。两者都是由非常灵活的角蛋白制成。尽管对刮刀的附着和分离机制的细节还在研究过程,但是它们在没有粘性化学物质的情况下工作这一事实令人印象深刻。

壁虎的脚也有其他迷人的功能。它们具有自动清洁功能,可防止自动消光(seta不会相互粘连),并且默认情况下(包括相互之间)分离。这些特征促使人们建议,将来,胶水、螺钉和铆钉都可以通过单一工艺制造,将角蛋白或类似材料浇铸到不同的模具中。

「纳米 结构设计」天然纳米结构可以激发人类设计的五种方式

 

图:壁虎脚的微观和纳米结构。图片来源:©2005,美国国家科学院

4.多孔强度

任何固体的最强形式是单晶态,比如钻石,其中原子以从物体的一端到另一端的接近完美的顺序存在。像钢棒,飞机机身和汽车面板这样的东西不是单晶,而是多晶的,结构类似于马赛克的颗粒。因此,理论上,这些材料的强度可以通过增加晶粒尺寸或通过使整个结构单晶来提高。

单晶可能很重,但自然界有一种以纳米结构孔隙的形式解决这一问题的方法。合成的结构,一个中间晶体,是其重量类别中给定固体的最强形式。海胆刺和珍珠母均是由中间结晶体构成的。这些生物有轻质的外壳,但可以在压力很大的深处居住。

理论上,可以制造中晶材料,尽管使用现有工艺需要大量复杂的操作。微小的纳米粒子必须旋转,直到它们以原子精度与生长的中间晶体的其他部分对齐,然后它们需要在软间隔物周围凝胶化以最终形成多孔网络。

5.细菌导航

趋磁细菌具有使用称为磁小体的小纳米晶体链来感知微小磁场的非凡能力,包括地球磁场自身。这些是尺寸在30-50纳米之间的晶粒,由磁铁矿(一种氧化铁形式)或不太常见的灰铁矿(铁硫组合)制成。磁小体的几个特征共同产生可折叠的“罗盘针”,比人造“指南针”灵敏许多倍。

虽然这些“传感器”仅用于短距离导航(趋磁细菌是池塘栖息),但它们的精确度令人难以置信。他们不仅可以找到自己的方向,而且不同的粒度意味着它们可以保留信息,而增长仅限于磁性最敏感的原子排列。

然而,由于氧气和硫与铁大量结合,产生磁铁矿、灰铁矿或超过50种其他化合物,其中只有少数是磁性化合物。这就需要具备很高的技能,才能选择性地产生正确的形态,并创建磁悬浮体链。这种灵巧性目前是我们无法企及的,但如果科学家们学会如何模仿这些结构,未来的导航可能会发生革命性的变化。

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