自然界充滿了納米結(jié)構(gòu),為納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來靈感

自然界充滿了納米結(jié)構(gòu)，為納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來靈感。科學(xué)家可以由納米結(jié)構(gòu)帶來的顏色、能見度、粘附力、強(qiáng)度和磁性導(dǎo)航等角度來尋找新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向。

雖然納米技術(shù)被描繪成一項相當(dāng)新的人類發(fā)明，但自然界實際上充滿了納米結(jié)構(gòu)。它們支撐著從細(xì)菌到漿果、黃蜂到鯨魚等多種生命形式的基本功能。事實上，巧妙地運用納米科學(xué)原理可以追溯到有超過5億年歷史的自然結(jié)構(gòu)。以下是科學(xué)家可以用來創(chuàng)造下一代人類技術(shù)的五個靈感來源。

1.結(jié)構(gòu)顏色

幾種類型的甲蟲和蝴蝶的著色是由一組仔細(xì)隔開的納米柱產(chǎn)生的。由殼聚糖等糖類或角蛋白等蛋白質(zhì)制成，柱子之間的狹縫寬度被設(shè)計成操縱光線以達(dá)到某些顏色或效果，如彩虹色。

這一策略的好處之一是恢復(fù)能力。由于暴露在光線下，色素傾向于漂白，但結(jié)構(gòu)顏色在相當(dāng)長的時間內(nèi)是穩(wěn)定的。例如，最近一項關(guān)于金屬-藍(lán)色大理石漿果結(jié)構(gòu)著色的研究，以1974年采集的標(biāo)本為特征，這些標(biāo)本盡管早已死去，但仍保持其顏色。

另一個優(yōu)點是，只要改變狹縫的大小和形狀，或用液體或蒸氣填充毛孔，就可以改變顏色。事實上，結(jié)構(gòu)著色存在的第一條線索往往是在樣品浸入水中后，顏色發(fā)生了生動的變化。一些機(jī)翼結(jié)構(gòu)對狹縫中的空氣密度非常敏感，因此，溫度也會引起顏色的變化。

圖：蝴蝶翅膀復(fù)雜的狹縫（來源：Science Advances / Wilts等）

2.遠(yuǎn)距離能見度

除了簡單地以一定角度偏轉(zhuǎn)光以改變顏色外觀之外，一些超薄的切割面板層完全反轉(zhuǎn)了光線行進(jìn)的方向。這種光的偏轉(zhuǎn)和阻擋可以共同產(chǎn)生令人驚嘆的光學(xué)效果，例如具有半英里能見度的單個蝴蝶翅膀，以及具有明亮白色鱗片的甲蟲，尺寸為5微米。事實上，這些結(jié)構(gòu)令人印象深刻，它們可以勝過厚度增加25倍的人工設(shè)計結(jié)構(gòu)。

3.粘附力

壁虎腳可以在幾毫秒內(nèi)牢固地粘合到幾乎任何固體表面，并且可以毫不費力地分離。這種粘附是純物理的，腳和表面之間沒有化學(xué)相互作用。

壁虎腳的活性粘合劑層是分支的納米級刷毛層，稱為“刮刀”，其長度約為200納米。這些刮刀中有數(shù)千個與微米尺寸的“seta”相連。兩者都是由非常靈活的角蛋白制成。盡管對刮刀的附著和分離機(jī)制的細(xì)節(jié)還在研究過程，但是它們在沒有粘性化學(xué)物質(zhì)的情況下工作這一事實令人印象深刻。

壁虎的腳也有其他迷人的功能。它們具有自動清潔功能，可防止自動消光（seta不會相互粘連），并且默認(rèn)情況下（包括相互之間）分離。這些特征促使人們建議，將來，膠水、螺釘和鉚釘都可以通過單一工藝制造，將角蛋白或類似材料澆鑄到不同的模具中。

圖：壁虎腳的微觀和納米結(jié)構(gòu)。圖片來源：?2005，美國國家科學(xué)院

4.多孔強(qiáng)度

任何固體的最強(qiáng)形式是單晶態(tài)，比如鉆石，其中原子以從物體的一端到另一端的接近完美的順序存在。像鋼棒，飛機(jī)機(jī)身和汽車面板這樣的東西不是單晶，而是多晶的，結(jié)構(gòu)類似于馬賽克的顆粒。因此，理論上，這些材料的強(qiáng)度可以通過增加晶粒尺寸或通過使整個結(jié)構(gòu)單晶來提高。

單晶可能很重，但自然界有一種以納米結(jié)構(gòu)孔隙的形式解決這一問題的方法。合成的結(jié)構(gòu)，一個中間晶體，是其重量類別中給定固體的最強(qiáng)形式。海膽刺和珍珠母均是由中間結(jié)晶體構(gòu)成的。這些生物有輕質(zhì)的外殼，但可以在壓力很大的深處居住。

理論上，可以制造中晶材料，盡管使用現(xiàn)有工藝需要大量復(fù)雜的操作。微小的納米粒子必須旋轉(zhuǎn)，直到它們以原子精度與生長的中間晶體的其他部分對齊，然后它們需要在軟間隔物周圍凝膠化以最終形成多孔網(wǎng)絡(luò)。

5.細(xì)菌導(dǎo)航

趨磁細(xì)菌具有使用稱為磁小體的小納米晶體鏈來感知微小磁場的非凡能力，包括地球磁場自身。這些是尺寸在30-50納米之間的晶粒，由磁鐵礦（一種氧化鐵形式）或不太常見的灰鐵礦（鐵硫組合）制成。磁小體的幾個特征共同產(chǎn)生可折疊的“羅盤針”，比人造“指南針”靈敏許多倍。

雖然這些“傳感器”僅用于短距離導(dǎo)航（趨磁細(xì)菌是池塘棲息），但它們的精確度令人難以置信。他們不僅可以找到自己的方向，而且不同的粒度意味著它們可以保留信息，而增長僅限于磁性最敏感的原子排列。

然而，由于氧氣和硫與鐵大量結(jié)合，產(chǎn)生磁鐵礦、灰鐵礦或超過50種其他化合物，其中只有少數(shù)是磁性化合物。這就需要具備很高的技能，才能選擇性地產(chǎn)生正確的形態(tài)，并創(chuàng)建磁懸浮體鏈。這種靈巧性目前是我們無法企及的，但如果科學(xué)家們學(xué)會如何模仿這些結(jié)構(gòu)，未來的導(dǎo)航可能會發(fā)生革命性的變化。