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『納米 結構設計』天然納米結構可以激發人類設計的五種方式
2018-08-20| 文章來源:智識咨詢| 【

  自然界充滿了納米結構。科學家可以由納米結構帶來的顏色、能見度、粘附力、強度和磁性導航等角度來尋找新的結構設計靈感。 

  雖然納米技術被描繪成一項相當新的人類發明,但自然界實際上充滿了納米結構。它們支撐著從細菌到漿果、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原理可以追溯到有超過5億年歷史的自然結構。以下是科學家可以用來創造下一代人類技術的五個靈感來源。

  1.結構顏色

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

 

  這一策略的好處之一是恢復能力。由于暴露在光線下,色素傾向于漂白,但結構顏色在相當長的時間內是穩定的。例如,最近一項關于金屬-藍色大理石漿果結構著色的研究,以1974年采集的標本為特征,這些標本盡管早已死去,但仍保持其顏色。

  另一個優點是,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,結構著色存在的第一條線索往往是在樣品浸入水中后,顏色發生了生動的變化。一些機翼結構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:蝴蝶翅膀復雜的狹縫(來源:Science Advances / Wilts等) 

  2.遠距離能見度

  除了簡單地以一定角度偏轉光以改變顏色外觀之外,一些超薄的切割面板層完全反轉了光線行進的方向。這種光的偏轉和阻擋可以共同產生令人驚嘆的光學效果,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,這些結構令人印象深刻,它們可以勝過厚度增加25倍的人工設計結構。

  3.粘附力

  壁虎腳可以在幾毫秒內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制的細節還在研究過程,但是它們在沒有粘性化學物質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構。圖片來源:?2005,美國國家科學院 

  4.多孔強度

  任何固體的最強形式是單晶態,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,飛機機身和汽車面板這樣的東西不是單晶,而是多晶的,結構類似于馬賽克的顆粒。因此,理論上,這些材料的強度可以通過增加晶粒尺寸或通過使整個結構單晶來提高。

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

  理論上,可以制造中晶材料,盡管使用現有工藝需要大量復雜的操作。微小的納米粒子必須旋轉,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絡。

  5.細菌導航

  趨磁細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”僅用于短距離導航(趨磁細菌是池塘棲息),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合,產生磁鐵礦、灰鐵礦或超過50種其他化合物,其中只有少數是磁性化合物。這就需要具備很高的技能,才能選擇性地產生正確的形態,并創建磁懸浮體鏈。這種靈巧性目前是我們無法企及的,但如果科學家們學會如何模仿這些結構,未來的導航可能會發生革命性的變化。

  參考來源: The Conversation

 
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