Sebbene la nanotecnologia sia descritta come un'invenzione umana abbastanza recente, la natura è in realtà piena di architetture nanoscopiche. Sono alla base delle funzioni essenziali di una varietà di forme di vita, dai batteri alle bacche, vespe alle balene.

Infatti, l'uso discreto dei principi della nanoscienza può essere ricondotto a strutture naturali che hanno più di 500 milioni di anni. Di seguito sono elencate solo cinque fonti di ispirazione che gli scienziati potrebbero utilizzare per creare la prossima generazione di tecnologia umana.

1. Colori strutturali

La colorazione di diversi tipi di coleotteri e farfalle è prodotta da serie di pilastri nanoscopici accuratamente distanziati. A base di zuccheri come il chitosano, o proteine ​​come la cheratina, le larghezze delle fessure tra i pilastri sono progettate per manipolare la luce per ottenere determinati colori o effetti come l'iridescenza.

Un vantaggio di questa strategia è la resilienza. I pigmenti tendono a sbiancare con l'esposizione alla luce, ma i colori strutturali sono stabili per periodi notevolmente lunghi. Un recente studio sulla colorazione strutturale nelle bacche di marmo blu metallizzato, Per esempio, presenti esemplari raccolti nel 1974, che avevano mantenuto il loro colore nonostante fossero morti da tempo.

Un altro vantaggio è che il colore può essere cambiato semplicemente variando la dimensione e la forma delle fessure, e riempiendo anche i pori con liquidi o vapori. Infatti, spesso il primo indizio della presenza di colorazione strutturale è un vivido cambiamento di colore dopo che il campione è stato immerso in acqua. Alcune strutture alari sono così sensibili alla densità dell'aria nelle fessure che si osservano anche cambiamenti di colore in risposta alla temperatura.

2. Visibilità a lungo raggio

Oltre a deviare semplicemente la luce ad angolo per ottenere l'aspetto del colore, alcuni strati ultrasottili di pannelli fessurati invertono completamente la direzione del percorso dei raggi luminosi. Questa deviazione e il blocco della luce possono lavorare insieme per creare effetti ottici straordinari come le ali di una singola farfalla con una visibilità di mezzo miglio, e coleotteri dalle squame bianche brillanti, misurando un sottile cinque micrometri. Infatti, queste strutture sono così impressionanti che possono superare le strutture ingegnerizzate artificialmente che sono 25 volte più spesse.

3. Adesione

I piedi di geco possono legarsi saldamente praticamente a qualsiasi superficie solida in millisecondi, e si staccano senza sforzo apparente. Questa adesione è puramente fisica senza interazione chimica tra i piedi e la superficie.

Lo strato adesivo attivo del piede del geco è uno strato nanoscopico ramificato di setole chiamate "spatole", che misurano circa 200 nanometri di lunghezza. Diverse migliaia di queste spatole sono attaccate a "seta" di dimensioni micron. Entrambi sono fatti di cheratina molto flessibile. Sebbene la ricerca sui dettagli più fini del meccanismo di attacco e distacco delle spatole sia in corso, il fatto stesso che funzionino senza sostanze chimiche appiccicose è un'impressionante opera di design.

I piedi di Gecko hanno anche altre caratteristiche affascinanti. sono autopulenti, resistenti all'autoopacità (le sete non si attaccano tra loro) e sono staccate di default (anche le une dalle altre). Queste caratteristiche hanno suggerito che in futuro, colle, viti e rivetti possono essere realizzati con un unico processo, colata di cheratina o materiale simile in stampi diversi.

4. Resistenza porosa

La forma più forte di qualsiasi solido è lo stato a cristallo singolo - pensa ai diamanti - in cui gli atomi sono presenti in un ordine quasi perfetto da un'estremità all'altra dell'oggetto. Cose come barre d'acciaio, le carrozzerie degli aerei e i pannelli delle auto non sono monocristallini, ma policristallino, simile nella struttura a un mosaico di grani. Così, in teoria, la resistenza di questi materiali potrebbe essere migliorata aumentando la granulometria, oppure rendendo l'intera struttura monocristallina.

I cristalli singoli possono essere molto pesanti, ma la natura ha una soluzione per questo sotto forma di pori nanostrutturati. La struttura risultante – un mesocristallo – è la forma più forte di un dato solido per la sua categoria di peso. Le spine dei ricci di mare e la madreperla (madreperla) sono entrambe fatte di forme meso-cristalline. Queste creature hanno gusci leggeri e tuttavia possono risiedere a grandi profondità dove la pressione è alta.

In teoria, si possono produrre materiali mesocristallini, anche se l'utilizzo di processi esistenti richiederebbe molte manipolazioni complesse. Piccole nanoparticelle dovrebbero essere fatte ruotare finché non si allineano con precisione atomica ad altre parti dei mesocristalli in crescita, e quindi avrebbero bisogno di essere gelificati insieme attorno a un distanziatore morbido per formare eventualmente una rete porosa.

5. Navigazione batterica

I batteri magnetotattici possiedono la straordinaria capacità di rilevare minuscoli campi magnetici, compreso quello della Terra, utilizzando piccole catene di nanocristalli chiamate magnetosomi. Questi sono grani di dimensioni comprese tra 30-50 nanometri, fatto di magnetite (una forma di ossido di ferro) o, meno comunemente, greghite (una combinazione di ferro e zolfo). Diverse caratteristiche dei magnetosomi lavorano insieme per produrre un "ago bussola" pieghevole, molte volte più sensibili delle controparti artificiali.

Sebbene questi "sensori" siano utilizzati solo per la navigazione su brevi distanze (i batteri magnetotattici vivono negli stagni), la loro precisione è incredibile. Non solo possono trovare la loro strada, ma variare la granulometria significa che possono conservare le informazioni, mentre la crescita è limitata alle disposizioni atomiche più magneticamente sensibili.

Però, poiché ossigeno e zolfo si combinano voracemente con il ferro per produrre magnetite, greghite o oltre 50 altri composti – solo alcuni dei quali magnetici – è necessaria una grande abilità per produrre selettivamente la forma corretta, e creare le catene di magnetosomi. Tale destrezza è attualmente al di fuori della nostra portata, ma la navigazione futura potrebbe essere rivoluzionata se gli scienziati imparassero a imitare queste strutture.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.