大自然中的纳米！这5种技术的灵感来源于自然科学

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纳米技术尽管被描述为人类的一项新发明，但其实不然，在我们生活的大自然界中实际上充满了许多纳米级结构。从细菌到浆果，从黄蜂到鲸鱼，它们支持各种生命形式的基本功能。

事实上，对纳米科学原理的巧妙运用，我们可以追溯到5亿年以上的自然结构。 而以下所说的就是科学家可用于创造下一代人类技术的五种灵感来源。

1.结构颜色

几种不同种类的甲虫和蝴蝶的颜色是由一组精心排列的纳米柱形成的。而其材料是由糖(如壳聚糖)或蛋白质(如角蛋白)组成的，柱子之间的缝隙宽度被设计成操纵光线以达到特定的颜色或效果，如彩虹色。

这种策略的一个好处在于具有回弹性。颜料在光照下容易漂白，但结构颜色在相当长的时间内是稳定的。比如说，最近的一项关于金属蓝色大理石浆果结构颜色的研究，其特色就在于其标本为1974年采集的，尽管这些标本早已死亡，但颜色依然保持不变。

而另一个优点是，颜色可以通过改变缝隙的大小和形状来改变，也可以通过在孔中填充液体或蒸汽来改变。事实上，结构色彩的存在的第一个线索通常是在样品浸泡在水中后，发生生动的颜色变化。一些机翼结构对狭缝内的空气密度非常敏感，因此随温度的变化，颜色也会发生变化。

剑尾蛱蝶翅膀上复杂的狭缝结构。 图片来源：Science Advances / Wilts等，CC BY-NC

2.远距离的可见度

除了简单地以一定角度偏转光以实现颜色外观之外，一些超薄的狭缝面板层完全反转了光线传播的方向。 这种光的偏转和阻挡可以共同创造出令人惊叹的光学效果。比如，具有半英里能见度的单个蝴蝶翅膀，以及具有5微米大小的明亮白色鳞片甲虫。 事实上，这些结构令我们印象十分深刻，以至于它们可以胜过厚度增加25倍的人工设计结构。

3.粘附力

壁虎的脚几乎可以在几毫秒内牢牢地附着在任何固体表面上，同时还可以毫不费力与固体表面发生分离。然而，这种附着纯粹是物理上的，即在脚部和表面之间没有任何化学反应。

壁虎足部的活性黏附层是一种叫做“刮刀”的纳米级刚毛，长度约为200nm。而且在微米大小的“刮刀”上有数以千计的匙突附着。其中，它们材质都是由柔韧性非常好的角蛋白构成的。尽管对于刮刀附着和分离机制的细节研究仍在进行中，但事实上，刮刀在没有粘性化学物质的情况下工作是一项令人印象深刻的设计壮举。

壁虎脚的微观和纳米结构。 图片来源：©2005，美国国家科学院

4. 多孔网络的强度

任何固体的最强形式都是单晶态，比如说钻石，其晶体形态呈现为原子从物体的一端到另一端以近乎完美的顺序出现。像钢棒、飞机机身和汽车面板这样的东西都不是单晶的，而是多晶的，在结构上类似于马赛克。因此，从理论上讲，这些材料的强度可以通过增加晶粒尺寸或使整个结构的晶体状态都为单晶来提高。

单晶可能非常重，但是在大自然中有一种以纳米结构孔隙形式解决这一问题的方法。由此产生的中间晶体结构是其重量类别中给定固体的最强形式。海胆的刺和珠母(珍珠的母亲)都是由中晶体形成的。这些生物虽然有很轻的外壳，但其可以在压力很大的深海中生存。

从理论上来讲，中晶材料是可以制造的，但是使用现有的工艺制作的话则会需要大量复杂的操作。微小的纳米颗粒必须旋转，直到它们与生长中的中晶体的其他部分达到原子精度一致，然后它们需要在一个软垫片周围凝胶化，最终形成一个多孔网络。

5. 可导航的细菌

具有磁趋向性的细菌（趋磁细菌）拥有一种特殊的能力，即它可以利用被称为磁小体的纳米晶体链来感知微小的磁场，这里也包括着地球的磁场。这些颗粒大小在30-50纳米之间，其由磁铁矿（一种氧化铁形式）或不太常见的灰铁矿（铁硫组合）制成。 而磁小体的几个特征共同作用产生了一个可折叠的“罗盘指针”，这与人造的罗盘指针相比更具有灵敏性。

这些趋磁细菌居生活在池塘里，所以导致这些“传感器”只用于短程导航，但它们在短程导航中的精确度是非常让人难以置信的。它们不仅能找到自己的路，而且不同的粒度意味着它们可以保留信息，而其增长仅限于最具磁性的原子排列。