Hoci sú vnímané ako veľmi nový ľudský vynález, v skutočnosti sú prítomné v prírode podľa fosílnych nálezov už od pradávna. Dnes vám predstavíme najväčšieho nanotechnológa v celej histórii sveta – prírodu. Ukážeme vám, prečo najväčším zdrojom inšpirácie nanotechnológov je stále príroda a ako sami zistíte, máme sa od nej ešte čo učiť. Poďme sa pozrieť na to, čo sú nanotechnológie a kde ich nájdeme v prírode.
Čo sú nanotechnológie
Nanotechnológie predstavujú špecializovaný odbor technológie, ktorý sa zaoberá manipuláciou a riadením materiálov na nanometrické úrovni - čo znamená v mierke nanometrov, kde jeden nanometer odpovedá miliardtine metra. Zaoberajú sa štúdiom a aplikáciou drobných štruktúr, systémov a zariadení s rozmermi medzi 1 až 999 nanometrami.
Nanotechnológie majú široký dosah a nájdu uplatnenie v rôznych oblastiach - od textilného priemyslu až po farmaceutický sektor. Aj moderné elektronické prístroje, ako je smartfón, využívajú nanotechnológie pre svoju miniaturizáciu a vysokú kapacitu.
História nanotechnológií siaha až do 4. storočia, kedy ich údajne používali rímski sklári pri výrobe tzv. Lykurgových pohárov. Tieto poháre mali zvláštne vlastnosti - keď boli osvetlené z vonkajšku, boli zelené, ale ak bolo svetlo umiestnené vnútri pohára, tento zčervenal. Tento efekt bol dosiahnutý pomocou pridania kovových práškov obsahujúcich častice v nanometrických rozmeroch.
Avšak moderný vedecký výskum a aplikácie nanotechnológií sa začali rozvíjať až v roku 1959, keď fyzik Richard Feynman predstavil svoju víziu o manipulácii a ovládaní atómov a častíc na nanometrické úrovni.
Ako vyrobiť samočistiace farby bez pigmentov? Inšpiráciu hľadajme pri hmyze
Už dávno sme zistili, že farby môžu vytvárať pigmenty. Príroda nás ale pred časom presvedčila, že sú aj iné možnosti. Krídla niektorých druhov hmyzu, ako sú napríklad motýle, sú pokryté nanoštruktúrami z chitínu. Ich veľkosť sa blíži veľkosti vlnových dĺžok viditeľného svetla.
Tieto nanoštruktúry slúžia ako antireflexívne a samočistiace povrchy, mechanické vystuženie, podpora aerodynamických vlastností krídiel, a taktiež vytvárajú iridescentné sfarbenie, teda také, ktoré hrá všetkými farbami dúhy.
Čo je to iredescencia?
Iridescencia je výsledkom súhry medzi svetelným žiarením a nanoštruktúrami. Napríklad pri motýľoch rodu Morpho z čeľade babočkovitých vytvárajú tieto nanoštruktúry prírodné fotonické kryštály, ktorých prejavom je oslnivo modrá farba krídel spomínaných motýľov. Na tvorbe farby sa nepodieľa žiadny pigment.
Vedci tieto štruktúry intenzívne študujú a hľadajú pre nich využitie. Uplatnenie takýchto štruktúr sa ponúka nielen pri tvorbe odolných farebných povrchov, ale aj napríklad v technológiách optickej komunikácie alebo pri vývoji senzorov, ktoré detekujú nepatrné zmeny teploty.
Lacné a netoxické farby by sa mohli vyrábať z nanovláknom celulózy
Ako nedávno ukázal výskum, nápadne biele sfarbenie juhoázijských chrobákov vrubúnov rodu Cyphochilus tiež tvorí nanoštruktúra chitínu, rozptylom svetelných lúčov na tejto štruktúre. Vedcom sa podarilo takú štruktúru napodobniť na tenkých membránach utvorených z nanovlákien celulózy.
Takýto materiál je lacný, ľahko dostupný, netoxický a použiteľný v ľudskom tele. Mohol by sa uplatniť pri výrobe farieb, spotrebného tovaru, kozmetiky alebo potravín. Príroda tiež vie vytvoriť aj iné štrukturálne farby, než sú chitínové. Leskopstvo, nádherné príbuzné škorcov, sa blyští kovovo lesklými farbami.
Sfarbenie pritom vytvárajú nanoštruktúry z melanosómov, bunkových vačkov s melanínom. Melanín je síce pigment, ale v tomto prípade ide o čisto fyzikálne sfarbenie, vzniknuté rozptylom svetla. Krásne kovovo lesklé plody africkej byliny Pollia condensata z čeľade krížatkovitých sú zase sfarbené vďaka nanoštruktúram z vlákien celulózy.
Aj chameleóni sú nano, viete prečo?
Pozoruhodní jašteri chameleóni sú slávni vďaka schopnosti meniť farbu a prispôsobovať sa tým svojmu okoliu. Keď chameleón zmení farbu, napríklad z tyrkysovej na ružovú, oranžovú alebo zelenú, tak pri tom vlastne funguje nanotechnológia. Ide o to, že pri maskovaní dochádza k manipulácii s nanokryštálmi, ktoré majú chameleóny v pokožke.
Usporiadanie nanokryštálov určuje výslednú farbu pokožky. Maskovanie chameleónov sa stalo inšpiráciou napríklad pre vývoj nanolaserov, ktoré tvoria zostava kovových nanočastíc, umiestnených na elastickom polymérovom podklade.
Pohyby polymérového podkladu menia usporiadanie nanočastíc, ktoré zase určuje vlnovú dĺžku žiarenia nanolasera, teda farbu jeho lúča. Nanolasery by sa mohli presadiť v dotykových optických displejoch, fotonických obvodoch alebo v optickej komunikácii.
Gekoni vedia chodiť po skle vďaka štruktúram v nanomerka
Výbornú prírodnú nanotechnológiu majú k dispozícii gekóni. Povrch ich nohy môže pevne priľnúť prakticky k akémukoľvek pevnému povrchu počas milisekúnd bez toho, aby to jašterica stálo viditeľné úsilie. Ide o čisto fyzikálny proces, v ktorom nehrá rolu žiadna chémia. Gekoni majú na chodidlách vrstvu nepatrných, mäkkých a ohybných štetiniek z keratínu, ktoré merajú zhruba 200 nanometrov. Sú usporiadané tak, že umožňujú efektívne pôsobenie molekulárnych Van der Waalsových síl. Okrem toho je povrch chodidiel gekónov vďaka tejto nanoštruktúre tiež samočistiaci.
Listy lotosu inšpirovali hydrofóbne povrchy v auto kozmetike aj v textile
Mnohé druhy rastlín vyznávajú trochu extrémny životný štýl a sú k tomu vybavené množstvom šikovných adaptácií. Nájdu sa medzi nimi aj nanotechnológie, ktoré týmto rastlinám uľahčujú život. Lotosy rastú v stojatých či pomaly plynúcich vodách trópov a subtrópov. Ich listy majú špeciálny povrch, ktorý tvorí výbežky o veľkosti 10 mikrometrov, medzi ktorými sú asi 100 nanometrov veľké výrastky hydrofóbneho voskovitého materiálu. Výsledný povrch listu lotosu je superhydrofóbny a má výbornú samočistiacu schopnosť. Nanoštruktúra povrchu listu minimalizuje plochu, na ktorej môže priľnúť voda alebo nečistoty. Nanotechnológia lotosu už inšpirovala celý rad farieb, odevov, čistiacich prostriedkov pre kúpeľne aj domácnosť či automobilové súčiastky.
Tip: Sú nanotechnológie bezpečné? Prečítajte si náš článok.
Mäsožravé rastliny proti biologickému znečisteniu
Bizarné mäsožravé rastliny láčkovky zase majú ústia svojich pascí lemované klzkým povrchom s nanoštruktúrou pripomínajúcou nepatrné vrásky. Keď sa na takýto povrch dostane hmyz, tak je jeho osud spečatený. Skĺzne do pasce, kde ho láčkovka postupne strávi.
Vedci vytvorili podobné povrchy s nanovráskami, na ktorých sa prakticky nemôžu usadzovať mikroorganizmy zodpovedné za biologické znečistenie. Povrch inšpirovaný láčkovkou funguje aj v agresívnej morskej vode. Je tvarovateľný a tiež dobre priehľadný, takže ho možno využiť na optiku aj senzory, ktoré sú vystavené dlhodobému pôsobeniu vody.
Podobné triky používajú aj živočíchy. Na povrchu zloženého oka istých mor sú výrastky šesťuholníkového tvaru, ktoré merajú pár stoviek nanometrov, a podobná je aj vzdialenosť medzi nimi. Vytvárajú nanoštruktúru, ktorej usporiadanie je menšie ako vlnové dĺžky viditeľného svetla. Oko potom oveľa efektívnejšie absorbuje svetelné žiarenie. Vďaka tejto úprave mory vidia v šere alebo v tme oveľa lepšie ako ľudia. Podobné štruktúry našli uplatnenie pri konštrukcii termofotovoltaických článkov.
Príroda ako vynálezca pevných a ľahkých materiálov
Prírodný výber dokázal vytvoriť podivuhodné konštrukčné nanomateriály, vďaka ktorým sú napríklad kostry a schránky organizmov veľmi pevné a často aj veľmi ľahké. Jedným z najpevnejších prírodných materiálov je perleť, teda organicko-anorganická zmes, ktorú používajú v schránkach niektorí mäkkýše.
Perleť vzniká ukladaním amorfného uhličitanu vápenatého do poréznych vrstiev chitínu. Tým vznikne kryštalický materiál s nanodoštičkami uhličitanu vápenatého v podobe aragonitu, chitínom a tiež s proteínmi.
Vďaka tejto štruktúre je perleť veľmi tvrdá. Podobné nanokompozity vznikajú v mnohých laboratóriách a časom by sa mohli uplatniť napríklad v osobných pancieroch, konštrukčných materiáloch, odolnej elektronike alebo napríklad v leteckých a kozmických technológiách.
Výrobu extrémne odolného betónu inšpirovali ježovky
Ostne morských ježoviek sú vytvorené z kalcitu, teda uhličitanu vápenatého, ktorý je obvykle veľmi krehký a lámavý. Tieto ostne sú ale oveľa pevnejšie, než by mali byť. Tvrdosť a pevnosť im zaisťuje ich nanoštruktúra.
Ježovky inšpirovali materiálových vedcov, ktorí použili nanoštruktúru ich ostňov pri vývoji extrémne odolného a pevného betónu. Z tohto betónu by bolo možné postaviť stĺp s výškou až 8 kilometrov, než by sa zbortil vlastnou váhou.
Stĺp z konštrukčnej ocele by sa pritom zrútil už pri výške 3 kilometre. Ako perleť, tak aj ostne ježoviek tvoria materiál s mezokryštalickou nanoštruktúrou, ktorá mu dáva pevnosť a zároveň nízku hmotnosť.
Prírodné nanočastice sú okolo nás, stačí ich využiť
Príroda je zdatný nanotechnológ aj pokiaľ ide o produkciu nanočastíc. V prostredí sa vyskytuje rad rôznych nanočastíc, ktoré sú vytvárané chemickými a biologickými procesmi. Tieto nanočastice nás môžu inšpirovať a tiež ich môžeme priamo využiť v rozmanitých aplikáciách.
Morská voda obsahuje nanočastice vhodné pre biomedicínu
Napríklad v povrchových vrstvách vody sa vyskytujú nanočastice uhličitanu vápenatého, ktoré je možné využiť v biotechnológiách, v priemysle aj v poľnohospodárstve, nanočastice oxidu hlinitého, použiteľné pri čistení vody alebo nanočastice kremeňa, ktoré sa môžu uplatniť v biomedicíne, pri výrobe potravín alebo v potravinách. Nanočastice kremeňa sa vyskytujú aj v materiáli vulkanických erupcií. Morská voda obsahuje nanočastice síranu vápenatého, vhodné pre biomedicínu. Vo vode sú tiež nanočastice striebra s rozmanitým využitím.
Tip: Viete, čo majú nanotechnológie spoločné s čokoládou? Nie? Prečítajte si článok.
Nanočastice z prírody je možné využiť aj v poľnohospodárstve
V sedimentoch po ústupe ľadovca sa nachádzajú nanočastice oxidu železnato-železitého, ktoré je možné využiť v diagnostike, biomedicíne, v senzoroch alebo aj v superkapacitoroch. Nanočastice oxidu manganičitého z okra sú vhodné na čistenie vody a katalýzu. V sírnych výveroch možno nájsť nanočastice síry pre biomedicínu alebo poľnohospodárstvo. V rudách zase nanočastice zlata, ktoré majú uplatnenie v biosenzoroch aj biomedicíne. Nanočastice možno nájsť aj v exhaláciách, napríklad nanočastice uhlíka alebo platiny, ktoré potom môžu slúžiť v rôznych užitočných aplikáciách.
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.
