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大自然给纳米灵感

www.lnnews.net 作者:威尼斯人 来源:网络整理 发布时间:2018-09-13 12:50

尽管纳米科技被认为是人类最近才实现的一项发明,但是大自然中却充满了纳米结构,从细菌到浆果、从黄蜂到鲸鱼,它们支撑着各种生命形式的基本功能。自然界中一些鸟类的羽毛、蝴蝶的翅膀、甲虫的外壳等,它们的颜色其实是由一组被精心安排的纳米级别“柱子”形

  大自然给纳米灵感

大自然给纳米灵感

大自然给纳米灵感

大自然给纳米灵感

大自然给纳米灵感

大自然给纳米灵感

  蝴蝶翅膀壁虎的脚

  尽管纳米科技被认为是人类最近才实现的一项发明,但是大自然中却充满了纳米结构,从细菌到浆果、从黄蜂到鲸鱼,它们支撑着各种生命形式的基本功能。事实上,自然界对纳米结构的“纯熟运用”可以追溯到5亿多年前。而这些自然界的“鬼斧神工”自然也成为了科学家们学习的对象,灵感的来源。澳大利亚解释性新闻网(The Conversation)就为大家列举了几个纳米结构的实用例子。

  蝴蝶翅膀

  能自我修复的结构颜色

  大自然缤纷多彩的颜色是通过不同方式形成的。一些源于内在的有色分子,当它们吸收了光或发光的化合物后,就会呈现出不同颜色。而另一种令人惊叹又持久的颜色是通过物理方式呈现的。

  自然界中一些鸟类的羽毛、蝴蝶的翅膀、甲虫的外壳等,它们的颜色其实是由一组被精心安排的纳米级别“柱子”形成的。这些“柱子”由糖或蛋白质组成,间隙宽度被“设计”成可以“操纵”光线,通过使光波发生折射、漫反射、衍射等来产生颜色或效果,例如一些蝴蝶翅膀上绚丽的彩虹色。

  结构色有一个先天优势,那就是具有恢复力。普通颜料总少不了掉色的烦恼,热水、化学药品、暴晒等都是它们的“天敌”,很多看上去染得很牢的颜色经不住各种“折腾”,变得越来越浅。而结构色在很长一段时间内都能保持稳定。

  其实,牛顿早在300多年前就描述了结构色,但直到最近,化学家、材料学家和物理学家才把注意力转移到再造结构色上。例如世界各地的实验室都在试图利用无毒的化合物来制造可持续的色素,另外,还可以用反光涂层保持室内的凉爽,减少二氧化碳排放。

  除了简单地将光偏转到某一角度来“制造”颜色外,一些超薄的缝隙面板还能完全改变光线的传播方向。这种光的偏转也能够创造出令人惊叹的光学效果,例如一只翅膀仅有两厘米宽的蝴蝶或是一只有着亮白色鳞的小甲虫,它们的能见度可以达到800多米远。这些结构给人留下的印象如此深刻,以至于它们能够完胜是自己厚度25倍的人工设计结构。

  海胆刺

  能抗压的单晶态轻量外壳

  固体中最强大的形态就是单晶态了,比如我们熟悉的钻石,在这种结构中,原子以接近完美的顺序从物体的一端排到另一端。我们常见的钢棒、飞机机身和汽车面板之类的物体都不是单晶体,而是多晶结构,类似于一幅“马赛克图”。因此,从理论上看,这些材料的强度可以提高,或者让整个结构变为单一的晶体。

  不过单晶体可能会很重,如果用它做材料,恐怕飞机很难飞起来。不过,自然界自有解决这个问题的办法——纳米结构孔。而由此产生的结构——介晶质是给定固体重量级别中最坚固的形式。海胆刺和珍珠母都是由介晶质组成的,这些生物拥有轻量的外壳,却可以在水压很大的地方生存。

  理论上,介晶质是可以人造的,尽管使用现有的技术需要大量的复杂操作。微小的纳米粒子必须保持旋转状态,直到它们以原子的精度排列,和晶体的其他部分结合起来,之后他们要在一个柔软的隔离物上被“黏”起来,最终形成一个多孔的网络。

  壁虎的脚

  超强角蛋白胶水黏合剂

  我们都领略过壁虎的爬墙能力,它们的脚能在短短几毫秒内将自己固定在任何固体表面上,把脚“拔下来”也是不费吹灰之力。这种附着力不包含任何足部和墙面之间的化学作用,纯靠物理原理。

  壁虎的脚有一层活跃黏层,是一种被称为铲状匙突的纳米结构,长度约为200纳米。数千个这样的铲状丝附着于微米大小的刚毛上。这两种结构都是由非常灵活的角蛋白组成的。

  尽管研究人员还没能完全弄清铲状匙突附着和分离机制的细节,但他们感叹,这种在没有任何黏性化学物质作用下能够进行的动作确实是个令人印象深刻的设计“壮举”。

  除了拥有完美的附着力外,壁虎的脚还有其他很厉害的特征。包括能够自我清洁,不会互相黏连,而且还能够分离等。这些特性让科学家们眼前一亮,他们认为,未来的胶水和螺丝钉一类的道具都能通过一条“流水线”制造,只需将角蛋白或类似材料浇筑到不同的模具中就可以了。

  趋磁细菌

  能自动找路的超级导航

  趋磁细菌有一种非凡的能力,它能够感知微弱的磁场(包括地磁场),并含有一种名为磁小体的纳米晶体链。这些颗粒的大小介于30至50纳米之间,由磁铁矿或不太常见的铁硫化合物组成。磁小体的几个特征共同作用,形成了一种可折叠的罗盘指针,比人造指针灵敏许多倍。

  尽管这些趋磁细菌住在池塘里,感应器只用于短距离的导航,但它们的精准度却令人叫绝。它们不仅能找到自己的路,改变颗粒大小还意味着它们能够保留信息,只不过这仅限于最具磁性的原子排列。

  氧气与硫、铁结合,能变化出50多种化合物,其中只有少数是有磁性的。想要创造出磁链,必须具备很强的“鉴别”能力,有选择性地创造正确的形式,这种“工艺”目前超出了人类的能力范围。不过,如果科学家们学会模仿这些结构,未来的导航仍可能发生翻天覆地的变化。

  链接

  纳米未来应用前景

  体内医生

  虽然已经有了可穿戴设备,但我们还可以在身体内植入或注射微小的传感器,这样不仅能获取更详细的信息,减少病人的麻烦,还能让医生为病人制定更加个性化的治疗。

  传感器

  一些传感器依赖于纳米材料和新的制造技术,变得更小、更复杂、更节能,例如具有非常精细特征的传感器可以在低成本的柔性塑料卷上大量印刷。这就提高了在关键基础设施上放置传感器的可能性,可以随时检查桥梁、飞机甚至核电站的情况。

  自愈结构

  未来,纳米技术涂层或添加剂能使材料在受到磨损时自行愈合。例如,让纳米粒子分散在材料中,移动填补裂纹。无论是飞机驾驶舱还是微电子学,可修复材料都能发挥很大的作用,将小裂缝扼杀在摇篮中。

  储存数据

  纳米技术可以帮助制造超高密度的储存器,让我们能够储存海量的数据。它也为超高效的算法提供了灵感,可以在不影响可靠性的前提下处理、加密和传播数据。

  应对气候变化

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