مجله اینترنتی واوک

به‌دنبال ردپای پدیده‌های نانویی در طبیعت

تا حالا برایتان سوال شده که علت تمیزی فوق‌العاده سطوح برگ‌ها درگیاهان چیست؟ علت رنگ‌های متنوع پرهای اردک، طاووس یا سنگ‌های رنگی طبیعی چیست؟ چرا پوست گونه‌هایی از سوسک‌ها که جنس ثابتی از پروتئین دارد ظواهر زیبا و رنگین کمانی ایجاد می‌کند؟ علت تغییر رنگ آفتاب‌پرست‌ها چیست؟ چه‌چیز مانع از افتادن مارمولک از روی سقف و دیوار می‌شود؟ چرا پروانه‌ها بال‌هایی درخشنده و برّاق دارند؟ پاسخ به این سوال‌ها و موارد مشابه، ما را با پدیده‌ّ‌های نانویی در طبیعت آشنا می‌کند، چرا که همه این اتفاقات با نانو‌ساختارهای ویژه این مخلوقات در ارتباط است.
آنچه در طبیعت وجود دارد منبعی برای توسعه علوم و فناوری‌های مختلف است. این مساله در رابطه با فناوری نانو نیز صادق است، به گونه‌ای که بسیاری از اختراعات در این زمینه با تقلید از طبیعت انجام شده است. در طبیعت موادی وجود دارند که به صورت ذاتی دارای ساختار و ویژگی نانویی هستند که به آنها نانومواد طبیعی می‌گویند. مولکول‌های پروتئین که ماهیچه‌های ما را می‌سازند، DNA که در ژن‌های ماست و حتی روزنه‌هایی که موهای بدن انسان از آن رشد می‌کنند؛ همه و همه در ابعاد نانو هستند.

 

مارمولک و تولید چسب‌های نانویی!
مارمولک می‌تواند به هر سطح و در هر جهت بچسبد؛ حتی می‌تواند بر روی سطوح شیشه‌ای وارونه راه برود؛ درحالیکه پای او در طول حرکت هیچگونه ماده چسبناکی ترشح نمی‌کند و انگشت‌های او حتی در مقیاس میکروسکوپی هیچ مکشی ندارند. علت خواص عجیب مارمولک، در حرکت بر روی اجسام، در پاهای او نهفته است. پای مارمولک دارای شیارهای کوچکی است که سطح پاهایش را پوشانده است و هر کدام از شیارها در انتهای خود دارای ساختار شاخه‌ای و سلسله مراتبی است. هر ساختار شاخه‌ای (لیف) تقریباً ۱۰۰ میکرومتر طول و ۵ میکرومتر قطر دارد و حدود یک میلیون از آنها بر روی پاهای مارمولک قرار دارد. هر کدام از این لیف‌ها به هزار برآمدگی نانومتری (لیفچه) تقسیم می‌شوند و سطح کل پاهای مارمولک را افزایش می‌دهد. این لیفچه‌ها بسیار انعطاف‌پذیرند؛ به‌گونه‌ای که خود را قالب ساختار مولکولی هر سطح می‌کنند. فاصله اندک این لیفچه‌ها با سطح، سبب می‌شود که نیروی جاذبه‌ای قوی میان آنها برقرار گردد، به طوریکه هر لیفچه توانایی مقاومت در برابر نیرویی به بزرگی ۲۰۰ میکرو نیوتن را دارد. به همین دلیل مارمولک یک مثال خوب در رابطه با اثر سطح-های بزرگ بر نیروهای کوچک است.
دانشمندان با الهام گرفتن از پاهای مارمولک، چسب‌هایی ساخته‌اند که چسبندگی بسیار قوی دارد. این چسب‌ها، با آنکه از نظر ظاهری شبیه نوار چسب‌های معمولی هستند، اما می‌توانند وزن اشیایی تا ۱۰۰ کیلوگرم را تحمل کنند. همان‌طور که برای چسباندن کاغذ از چسب نواری استفاده می‌کنیم، با استفاده از این چسب‌ها می‌توان LCD های بزرگ را به دیوار چسباند، بدون آن که هیچ اثری بر روی دیوار داشته باشد. برای ساخت این چسب‌ها از صفحات حاوی نانولوله‌های کربنی استفاده کرده‌اند. آن‌ها با اتصال رشته‌های مجعد کربن به سطح نانو لوله‌های کربن، سطوح چسبنده ایجاد کرده‌اند. نحوه‌ی کارکرد این سطح، کاملاً شبیه عملکرد پرزهای ظریف روی پای مارمولک است. هنگامی که این رشته‌های مجعد کربن را به سطحی بچسبانیم، نانو‌لوله‌ها با سطح هم ردیف شده و اتصال بسیار محکمی ایجاد می‌کنند؛ نیرویی که حتی ۱۰ بار قوی‌تر از نیروی جاذبه‌ی پای مارمولک است.
یکی دیگر از ویژگی‌های پای مارمولک خاصیت «خود‌ تمیزشوندگی» است که هیچگونه ذره را به خود جذب نمی‌کند؛ حتی اگر سطحی که مارمولک بر روی آن راه می‌رود پوشیده از آب یا شن و ماسه باشد. در واقع کشش بین نیروی چسبندگی ذرات آلودگی به سطح و نیروی جذب‌کننده ذرات توسط لیفچه‌های کف پای مارمولک، منجر به عدم تعادل ذره آلودگی و دفع شدن آن می‌شود.

 

نانو در مرداب!نانو در مرداب!
گیاه نیلوفر آبی یک گیاه بومی آسیا است که دارای برگ‌هایی با خاصیتی متمایز است. برگ‌های این گیاه حتی اگر محل سکونت آن پر از گِل باشد، همیشه تمیز هستند. به همین علت این گیاه در برخی فرهنگ‌ها مانند هند، میانمار، چین و ژاپن مقدس شمرده می‌شود و آن را نماد پاکی و پاکدامنی می‌دانند. برگ‌های نیلوفر آبی دارای مشخصه برجسته‌ای در دفع آب هستند؛ به گونه‌ای که حرکت قطرات آب بر روی سطح برگ، آلودگی‌ها را به خود جذب کرده و از برگ دور می‌کند. سطح برگ نیلوفر آبی با لایه نازکی از برآمدگی‌های کوچک میکرومتری پوشیده شده و تعداد فراوانی بلور نانومتری روی این برآمدگی‌های میکرومتری قرار گرفته ‌است. به همین دلیل مقدار نیروی چسبندگی سطحی بین آب و آلودگی بیشتر از مقدار نیروی چسبندگی سطحی میان آلودگی و سطح است. نتیجه این است که قطرات آب بر روی برگ‌های نیلوفر آبی حرکت می‌کنند و آلودگی‌ها را می‌شویند.
امروزه با تقلید از برگ نیلوفر آبی لباس‌ها و سطوح خود تمیزشونده‌ای ساخته شده است که هیچگونه آلودگی را به خود جذب نمی‌کند. در اینگونه لباس‌ها برای ایجاد خاصیت آبگریزی در پارچه‌ها، مولکول‌هایی در اندازه‌ی نانومتری به الیاف پارچه متصل می‌شوند. وجود این مولکول‌ها مانع از نفوذ و پخش شدن مایعات بر سطح پارچه می‌شود. همچنین دانشمندان در مرکز تحقیقات نوکیا در کمبریج بر این باورند که ممکن است بتوانند خاصیت آبگریزی نیلوفر آبی را در تلفن همراه با استفاده از فناوری نانو تکرار کنند. کریس باوِر، دانشمند ارشد در مرکز تحقیقات نوکیا اینگونه می‌نویسد: «درست مثل خیلی از دانشمندان، ما هم در حال تلاشیم تا چیزی را که طبیعت هزاران سال، بی‌عیب و نقص در حال انجام آن بوده، کپی‌برداری کنیم». برای رسیدن به خصوصیت ضدآب و ضدلک بودن، تیم مرکز تحقیقاتی نوکیا در مراحل نهاییِ طراحی پوششی ابر آبگریز است که در سطوح خارجی تلفن همراه به کار رود.

 

سوسک آفریقایی و چادرهای مسافرتی!سوسک آفریقایی و چادرهای مسافرتی!
نوعی سوسک کوچک در آفریقای جنوبی زندگی می‌کند که قسمت زیادی ازَ پشت این حشره، یک سطح ناهموار آب‌گریز است و تعداد فراوانی برآمدگی نانومتری دارد. در زمان کم‌آبی و خشکی بیابان این حشره خود را در معرض وزش بادهای مرطوب قرار می‌دهد و به شکلی می‌ایستد که سرش به سمت پایین و پشتش به بالا باشد. در این حالت برآمدگی نانومتری پشت حشره، ذرات کوچک آب موجود در هوا را جذب می‌کند. با گذشت زمان این ذرات کوچک به هم می‌پیوندند و قطره آب کوچکی را تشکیل می‌دهند. این قطره به سرعت روی نواحی آب‌گریز پشت سوسک می‌غلتد و به دهان سوسک می‌چکد. دانشمندان، با بررسی این پدیده طبیعی در حال طراحی چادرهایی هستند که بتوانند با آنها در نواحی خشک، مه صبحگاهی و آب موجود در هوا را جمع آوری کنند.

 

تار عنکبوت در جلیقه‌های ضدگلوله!تار عنکبوت در جلیقه‌های ضدگلوله!
تار عنکبوت از یک پروتئین رشته‌ای به نام فیبروئین ساخته شده است که این پروتئین سرشار از آمینواسیدهای آلانین و گلیسین است و توسط غده زیرشکمی عنکبوت تولید می‌شود. در شکم عنکبوت غده‌هایی جای گرفته‌اند که ابریشم تولید می‌کنند. در قسمت بالای شکمش نیز اندام ریسنده تعبیه شده است. اندام ریسنده‌ی عنکبوت دارای سوراخ‌های بسیار ریزی است که ابریشم از درون آن با فشار بیرون می‌جهد. ابریشم به صورت مایع از اندام عنکبوت بیرون می‌آید، ولی در مجاورت هوا بی‌درنگ جامد و سخت می‌شود. نوع و ترکیب تار به عواملی مانند گونه عنکبوت، تغذیه، محیط و متابولیسم بدن عنکبوت بستگی دارد. تار عنکبوت دارای ویژگی‌های خارق‌العاده‌ای است که سال‌ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است. از جمله این ویژگی‌ها استحکام، چسبندگی، کشسانی و در عین حال وزن کم این تارها است. تحقیقات جدید نشان داده است که تار عنکبوت از نانو بلورهای ریزی تشکیل شده است که علت اصلی ویژگی‌های تار عنکبوت نیز از همین نانو بلورها سرچشمه می‌گیرد.
دو ویژگی کشسانی و استحکام فراوان و در عین حال سبک وزنی در تار عنکبوت باعث شده است که ساخت جلیقه‌های ضدگلوله از این ماده طبیعی در چند سال اخیر مورد توجه قرار گیرد. هنرمند هلندی جسیکا اسکین و همکارانش موفق به ساخت جلیقه‌های ضدگلوله از تار عنکبوت شدند. این جلیقه‌ها به سبب وزن کمی که دارند بسیار کارآمدتر از جلیقه‌های کنونی هستند که به علت وزن زیاد مانع عکس‌العمل به موقع می‌شوند. اگر چه رشته‌های تار عنکبوت ممکن است توسط برخی تفنگ‌ها با کالیبر بالا پاره و شکسته شود اما استحکام آنها چهار برابر استحکام ماده کولار است که هم اکنون در جلیقه‌های ضدگلوله استفاده می‌شود. همچنین پروفسور گرس مکینلی و همکارانش در سال ۲۰۰۷ در موسسه‌ای علمی در ماساچوست توانستند با تقلید از تار عنکبوت موفق به ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری شوند که دو خاصیت کشسانی و استحکام فراوان را با هم دارد. از این مواد در صنعت، پزشکی و ساخت پارچه‌های مقاوم در برابر پارگی استفاده می‌شود.

شاید بهتر باشد از این پس به موجودات و پدیده‌های طبیعی با دقت بیشتری بنگریم! آشنایی با ویژگی‌های برجسته موجودات زنده به ما این امکان را می‌دهد تا با الهام‌‌گیری از آن زندگی خود را بهبود دهیم.