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

發(fā)布時(shí)間:2018-08-20 17:03:15

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

雖然納米技術(shù)被描繪成一項(xiàng)相當(dāng)新的人類(lèi)發(fā)明,但自然界實(shí)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(yú)等多種生命形式的基本功能。事實(shí)上,巧妙地運(yùn)用納米科學(xué)原理可以追溯到有超過(guò)5億年歷史的自然結(jié)構(gòu)。以下是科學(xué)家可以用來(lái)創(chuàng)造下一代人類(lèi)技術(shù)的五個(gè)靈感來(lái)源。

1.結(jié)構(gòu)顏色

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

自然界充滿了納米結(jié)構(gòu)


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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。例如,最近一項(xiàng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)的變化。一些機(jī)翼結(jié)構(gòu)對(duì)狹縫中的空氣密度非常敏感,因此,溫度也會(huì)引起顏色的變化。


蝴蝶翅膀復(fù)雜的狹縫(來(lái)源:Science Advances / Wilts等)

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


2.遠(yuǎn)距離能見(jiàn)度

除了簡(jiǎn)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(jiàn)度的單個(gè)蝴蝶翅膀,以及具有明亮白色鱗片的甲蟲(chóng),尺寸為5微米。事實(shí)上,這些結(jié)構(gòu)令人印象深刻,它們可以勝過(guò)厚度增加25倍的人工設(shè)計(jì)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(fèi)力地分離。這種粘附是純物理的,腳和表面之間沒(méi)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(jí)刷毛層,稱(chēng)為“刮刀”,其長(zhǎng)度約為200納米。這些刮刀中有數(shù)千個(gè)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(duì)刮刀的附著和分離機(jī)制的細(xì)節(jié)還在研究過(guò)程,但是它們?cè)跊](méi)有粘性化學(xué)物質(zhì)的情況下工作這一事實(shí)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(dòng)清潔功能,可防止自動(dòng)消光(seta不會(huì)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(lái),膠水、螺釘和鉚釘都可以通過(guò)單一工藝制造,將角蛋白或類(lèi)似材料澆鑄到不同的模具中。

壁虎腳的微觀和納米結(jié)構(gòu)

圖:壁虎腳的微觀和納米結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源:?2005,美國(guó)國(guó)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(chē)面板這樣的東西不是單晶,而是多晶的,結(jié)構(gòu)類(lèi)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(guò)增加晶粒尺寸或通過(guò)使整個(gè)結(jié)構(gòu)單晶來(lái)提高。

多晶原子結(jié)構(gòu)

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(wèn)題的方法。合成的結(jié)構(gòu),一個(gè)中間晶體,是其重量類(lèi)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(zhǎng)的中間晶體的其他部分對(duì)齊,然后它們需要在軟間隔物周?chē)z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(chēng)為磁小體的小納米晶體鏈來(lái)感知微小磁場(chǎng)的非凡能力,包括地球磁場(chǎng)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(jiàn)的灰鐵礦(鐵硫組合)制成。磁小體的幾個(gè)特征共同產(chǎn)生可折疊的“羅盤(pán)針”,比人造“指南針”靈敏許多倍。

趨磁細(xì)菌具有使用稱(chēng)為磁小體的小納米晶體鏈來(lái)感知微小磁場(chǎng)的非凡能力

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(zhǎng)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(guò)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(wú)法企及的,但如果科學(xué)家們學(xué)會(huì)如何模仿這些結(jié)構(gòu),未來(lái)的導(dǎo)航可能會(huì)發(fā)生革命性的變化。


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