Co jsou nanotechnologie a kde se používají v přírodě?

Ačkoliv jsou vnímány jako velmi nový lidský vynález, ve skutečnosti jsou přítomné v přírodě podle fosilních nálezů již od pradávna. Dnes vám představíme největšího nanotechnologa vcelé historii světa – přírodu. Ukážeme vám, proč největším zdrojem inspirace nanotechnologů je stále příroda a jak sami zjistíte, máme se od ní ještě co učit. Pojďme se podívat na to, co jsou nanotechnologie a kde je najdeme v přírodě.

Jak vyrobit samočistící barvy bez pigmentů? Inspiraci hledejme u hmyzu

Už dávno jsme zjistili, že barvy mohou vytvářet pigmenty. Příroda nás ale před časem přesvědčila, že jsou i jiné možnosti. Křídla některých druhů hmyzu, jako jsou například motýli, jsou pokrytá nanostrukturami z chitinu.Jejich velikost se blíží velikosti vlnových délek viditelného světla.

Tyto nanostruktury slouží jako antireflexivní a samočistící povrchy, mechanické vyztužení, podpora aerodynamických vlastností křídel, a také vytvářejí iridescentní zbarvení, tedy takové, které hraje všemi barvami duhy.

Co to je iredescence?

Iridescence je výsledkem souhry mezi světelným zářením a nanostrukturami. Například u motýlů rodu Morpho z čeledi babočkovitých vytvářejí tyto nanostruktury přírodní fotonické krystaly, jejichž projevem je oslnivě modrá barva křídel zmíněných motýlů. Na tvorbě barvy se nepodílí žádný pigment.

Vědci tyto struktury intenzivně studují a hledají pro ně využití. Uplatnění takových struktur se nabízí nejen při tvorbě odolných barevných povrchů, ale také například v technologiích optické komunikace nebo při vývoji senzorů, které detekují nepatrné změny teploty.

Levné a netoxické barvy by se mohly vyrábět z nanovláknem celulózy

Jak nedávno ukázal výzkum, nápadně bílé zbarvení jihoasijských brouků vrubounů rodu Cyphochilus rovněž tvoří nanostruktura chitinu, rozptylem světelných paprsků na této struktuře. Vědcům se povedlo takovou strukturu napodobit na tenkých membránách utvořených z nanovláken celulózy.

Takový materiál je levný, snadno dostupný, netoxický a použitelný v lidském těle. Mohl by se uplatnit při výrobě barev, spotřebního zboží, kosmetiky nebo potravin. Příroda rovněž umí vytvořit i jiné strukturální barvy, než jsou chitinové. Leskoptve, nádherné příbuzné špačků, se blyští kovově lesklými barvami.

Zbarvení přitom vytvářejí nanostruktury z melanosomů, buněčných váčků s melaninem. Melanin je sice pigment, ale v tomto případě jde o čistě fyzikální zbarvení, vzniklé rozptylem světla. Krásně kovově lesklé plody africké byliny Pollia condensata z čeledi křížatkovitých jsou zase zbarvené díky nanostrukturám z vláken celulózy.

I chameleoni jsou nano, víte proč?

Pozoruhodní ještěři chameleoni jsou slavní díky schopnosti měnit barvu a přizpůsobovat se tím svému okolí. Když chameleon změní barvu, například z tyrkysové na růžovou, oranžovou nebo zelenou, tak při tom vlastně funguje nanotechnologie. Jde o to, že při maskování dochází k manipulaci s nanokrystaly, které mají chameleoni v pokožce.

Uspořádání nanokrystalů určuje výslednou barvu pokožky. Maskování chameleonů se stalo inspirací například pro vývoj nanolaserů, které tvoří sestava kovových nanočástic, umístěných na elastickém polymerovém podkladu.

Pohyby polymerového podkladu mění uspořádání nanočástic, které zase určuje vlnovou délku záření nanolaseru, tedy barvu jeho paprsku. Nanolasery by se mohly prosadit v dotykových optických displejích, fotonických obvodech nebo v optické komunikaci.

Gekoni umí chodit po skle díky strukturám v nanoměřítku

Výbornou přírodní nanotechnologii mají k dispozici gekoni. Povrch jejich nohy může pevně přilnout prakticky k jakémukoliv pevnému povrchu během milisekund, aniž by to ještěrku stálo viditelné úsilí. Jde o čistě fyzikální proces, v němž nehraje roli žádná chemie. Gekoni mají na chodidlech vrstvu nepatrných, měkkých a ohebných štětinek z keratinu, které měří zhruba 200 nanometrů. Jsou uspořádány tak, že umožňují efektivní působení molekulárních Van der Waalsových sil. Kromě toho je povrch chodidel gekonů díky této nanostruktuře také samočistící.

Listy lotosu inspirovaly hydrofobní povrchy v auto kosmetice i v textilu

Mnohé druhy rostlin vyznávají poněkud extrémní životní styl a jsou k tomu vybavené řadou šikovných adaptací. Najdou se mezi nimi i nanotechnologie, které těmto rostlinám usnadňují život. Lotosy rostou ve stojatých či pomalu plynoucích vodách tropů a subtropů. Jejich listy mají speciální povrch, který tvoří výběžky o velikosti 10 mikrometrů, mezi nimiž jsou asi 100 nanometrů velké výrůstky hydrofobního voskovitého materiálu. Výsledný povrch listu lotosu je superhydrofobní a má výbornou samočistící schopnost. Nanostruktura povrchu listu minimalizuje plochu, na které může přilnout voda nebo nečistoty. Nanotechnologie lotosu už inspirovala celou řadu barev, oděvů, čistících prostředků pro koupelny i domácnost či automobilové součástky.

Tip: Jsou nanotechnologie bezpečné? Přečtěte si náš článek. 

Masožravé rostliny proti biologickému znečištění

Bizarní masožravé rostliny láčkovky zase mají ústí svých pastí lemované kluzkým povrchem s nanostrukturou připomínající nepatrné vrásky. Když se na takový povrch dostane hmyz, tak je jeho osud zpečetěn. Sklouzne do pasti, kde ho láčkovka postupně stráví.

Vědci vytvořili podobné povrchy s nanovráskami, na nichž se prakticky nemohou usazovat mikroorganismy, zodpovědné za biologické znečištění. Povrch inspirovaný láčkovkou funguje i v agresivní mořské vodě. Je tvarovatelný a také dobře průhledný, takže ho lze využít pro optiku i senzory, které jsou vystavené dlouhodobému působení vody.

Podobné triky používají i živočichové. Na povrchu složeného oka jistých můr jsou výrůstky šestiúhelníkového tvaru, které měří pár set nanometrů, a podobná je i vzdálenost mezi nimi. Vytvářejí nanostrukturu, jejíž uspořádání je menší než vlnové délky viditelného světla. Oko pak mnohem efektivněji absorbuje světelné záření. Díky této úpravě můry vidí v šeru nebo ve tmě mnohem lépe než lidé. Podobné struktury nalezly uplatnění při konstrukci termofotovoltaických článků.

Příroda jako vynálezce pevných a lehkých materiálů

Přírodní výběr dokázal vytvořit podivuhodné konstrukční nanomateriály, díky nimž jsou například kostry a schránky organismů velice pevné a často také velmi lehké. Jedním z nejpevnějších přírodních materiálů je perleť, tedy organicko-anorganická směs, kterou používají ve schránkách někteří měkkýši.

Perleť vzniká ukládáním amorfního uhličitanu vápenatého do porézních vrstev chitinu. Tím vznikne krystalický materiál s nanodestičkami uhličitanu vápenatého v podobě aragonitu, chitinem a také s proteiny.

Díky této struktuře je perleť velmi tvrdá. Podobné nanokompozity vznikají v mnoha laboratořích a časem by se mohly uplatnit například v osobních pancířích, konstrukčních materiálech, odolné elektronice nebo třeba v leteckých a kosmických technologiích.

Výrobu extrémně odolného betonu inspirovaly ježovky

Ostny mořských ježovek jsou vytvořené z kalcitu, tedy uhličitanu vápenatého, který je obvykle velmi křehký a lámavý. Tyto ostny jsou ale mnohem pevnější, než by měly být. Tvrdost a pevnost jim zajišťuje jejich nanostruktura.

Ježovky inspirovaly materiálové vědce, kteří použili nanostrukturu jejich ostnů při vývoji extrémně odolného a pevného betonu. Z tohoto betonu by bylo možné postavit sloup o výšce až 8 kilometrů, než by se zbortil vlastní vahou.

Sloup z konstrukční oceli by se přitom zhroutil již při výšce 3 kilometry. Jak perleť, tak i ostny ježovek tvoří materiál s mezokrystalickou nanostrukturou, která mu dává pevnost a zároveň nízkou hmotnost.

Přírodní nanočástice jsou kolem nás, stačí je využít

Příroda je zdatný nanotechnolog i pokud jde o produkci nanočástic. V prostředí se vyskytuje řada různých nanočástic, které jsou vytvářené chemickými a biologickými procesy. Tyto nanočástice nás mohou inspirovat a také je můžeme přímo využít v rozmanitých aplikacích.

Mořská voda obsahuje nanočástice vhodné pro biomedicínu

Například v povrchových vrstvách vody se vyskytují nanočástice uhličitanu vápenatého, které lze využít v biotechnologiích, v průmyslu i v zemědělství, nanočástice oxidu hlinitého, použitelné při čištění vody nebo nanočástice křemene, které se mohou uplatnit vbiomedicíně, při výrobě potravin nebo v katalýze. Nanočástice křemene se vyskytují i v materiálu vulkanických erupcí. Mořská voda obsahuje nanočástice síranu vápenatého, vhodné pro biomedicínu. Ve vodě jsou také nanočástice stříbra s rozmanitým využitím.

Tip: Víte, co mají nanotechnologie společného s čokoládou? Ne? Přečtěte si článek. 

Nanočástice z přírody lze využít i v zemědělství

V sedimentech po ústupu ledovce se nacházejí nanočástice oxidu železnato-železitého, které je možné využít v diagnostice, biomedicíně, v senzorech nebo také v superkapacitorech. Nanočástice oxidu manganičitého z okru jsou vhodné pro čištění vody a katalýzu. V sirných vývěrech lze nalézt nanočástice síry pro biomedicínu nebo zemědělství. V rudách zase nanočástice zlata, které mají uplatnění v biosenzorech i biomedicíně. Nanočástice lze nalézt i v exhalacích, například nanočástice uhlíku nebo platiny, které poté mohou sloužit v různých užitečných aplikacích.

Zdroje

• Parker, A. R. (2003). On being blue: natural blue pigments and dyestuffs. Chemical Society Reviews, 32(5), 342-352.
• Fernández‐García, M., & Stamplecoskie, K. G. (2015). Nanochemistry: An emerging field in the intersection of materials, energy, and biology. Particle & Particle Systems Characterization, 32(3), 191-192.
• Suresh, S., Karthikeyan, S., & Singaravelu, G. (2018). Biologically inspired nanotechnology: Advances and prospects. Applied Nanoscience, 8(2), 91-97.
• Sarikaya, M., & Aksay, I. A. (2011). Biomimetics: Lessons from nature—An overview. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 369(1945), 1598-1613.
• Bhushan, B., & Gupta, B. (2008). Biomimetic hierarchical structures for hydrophobicity, self-cleaning, and low adhesion. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1870), 1557-1574.
• Siddique, M., Parveen, S., & Anjum, S. (2018). Nature-inspired materials: synthesis, properties, and applications. Journal of Materials Research and Technology, 7(3), 317-329.
• Bergamo, V. Z., & de Oliveira, M. G. (2020). Nanotechnology and biomimetics: new perspectives for the treatment of infectious diseases. RSC Advances, 10(32), 18806-18822.
• Song, J., Li, X., Zhao, L., Lin, X., Ding, Y., & Pan, X. (2020). The emerging role of biomimetic nanotechnology in combating COVID-19. Journal of Materials Chemistry B, 8(42), 9695-9711.
• Li, D., Li, L., Li, Y., Liu, J., & Li, Q. (2019). Nature-inspired materials for biomedical applications: Synthesis, surface modification, and application. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 184, 110538.
• Wang, X., Xie, H., Xue, B., & Xia, Y. (2021). Biomimetic materials design and applications. Nano Today, 36, 101013.

Lucie Konečná, provozní ředitelka v nanoSPACE

Lucie Konečná se pohybuje v nanotechnologiích 7 let, je spoluautorkou projektu Česko je nano a dlouhodobě pracuje na zvyšování povědomí o nanotechnologiích. Od května 2020 řídí provoz e-shopu nanoSPACE.