Även om nanoteknik framställs som en ganska ny mänsklig uppfinning, naturen är faktiskt full av nanoskopiska arkitekturer. De underbygger de väsentliga funktionerna i en mängd olika livsformer, från bakterier till bär, getingar till valar.

Faktiskt, taktfull användning av nanovetenskapens principer kan spåras till naturliga strukturer som är över 500 miljoner år gamla. Nedan är bara fem inspirationskällor som forskare kan använda för att skapa nästa generations mänskliga teknologi.

1. Strukturella färger

Färgen på flera typer av skalbaggar och fjärilar produceras av uppsättningar av noggrant åtskilda nanoskopiska pelare. Tillverkad av sockerarter som kitosan, eller proteiner som keratin, bredden på slitsarna mellan pelarna är konstruerade för att manipulera ljus för att uppnå vissa färger eller effekter som iris.

En fördel med denna strategi är motståndskraft. Pigment tenderar att bleka vid exponering för ljus, men strukturella färger är stabila under anmärkningsvärt långa perioder. En nyligen genomförd studie av strukturell färgning i metallisk-blå marmorbär, till exempel, visade exemplar insamlade 1974, som hade behållit sin färg trots att de länge varit döda.

En annan fördel är att färgen kan ändras genom att helt enkelt variera slitsarnas storlek och form, och genom att fylla porerna med vätskor eller ångor också. Faktiskt, ofta är den första ledtråden till förekomsten av strukturell färg en livlig färgförändring efter att provet har blötts i vatten. Vissa vingstrukturer är så känsliga för luftdensitet i slitsarna att färgförändringar också kan ses som svar på temperaturen.

2. Långsiktig sikt

Förutom att helt enkelt avleda ljuset i en vinkel för att få ett utseende av färg, några ultratunna lager av slitspaneler vänder helt om ljusstrålarnas färdriktning. Denna avböjning och blockering av ljus kan arbeta tillsammans för att skapa fantastiska optiska effekter som en enda fjärils vingar med en halv mils synlighet, och skalbaggar med lysande vita fjäll, mäter en smal fem mikrometer. Faktiskt, dessa strukturer är så imponerande att de kan överträffa konstgjorda strukturer som är 25 gånger tjockare.

3. Vidhäftning

Geckofötter kan binda fast till praktiskt taget vilken fast yta som helst på millisekunder, och koppla loss utan någon uppenbar ansträngning. Denna vidhäftning är rent fysisk utan kemisk interaktion mellan fötterna och ytan.

Det aktiva vidhäftande lagret på geckofoten är ett grenat nanoskopiskt lager av borst som kallas "spatel". som mäter cirka 200 nanometer i längd. Flera tusen av dessa spatlar är fästa på mikronstor "seta". Båda är gjorda av mycket flexibelt keratin. Även om forskning pågår om de finare detaljerna i spatlarnas fastsättnings- och avskiljningsmekanism, själva det faktum att de fungerar utan klibbiga kemikalier är en imponerande designprestation.

Geckos fötter har också andra fascinerande egenskaper. De är självrengörande, motståndskraftiga mot självmattning (seta fastnar inte vid varandra) och är som standard lossade (inklusive från varandra). Dessa funktioner har föranlett förslag som i framtiden, lim, skruvar och nitar kan alla tillverkas från en enda process, gjutning av keratin eller liknande material i olika formar.

4. Porös styrka

Den starkaste formen av ett fast ämne är enkristalltillståndet – tänk på diamanter – där atomer är närvarande i nästan perfekt ordning från ena änden av föremålet till den andra. Saker som stålstänger, flygplanskarosser och bilpaneler är inte enkristallina, men polykristallin, liknar strukturen en mosaik av korn. Så, i teorin, styrkan hos dessa material skulle kunna förbättras genom att öka kornstorleken, eller genom att göra hela strukturen enkristallin.

Enkristaller kan vara mycket tunga, men naturen har en lösning på detta i form av nanostrukturerade porer. Den resulterande strukturen – en mesokristall – är den starkaste formen av en given fast substans för sin viktkategori. Sjöborreryggar och pärlemor (pärlemor) är båda gjorda av mesokristallina former. Dessa varelser har lätta skal och kan ändå vistas på stora djup där trycket är högt.

I teorin, mesokristallina material kan tillverkas, även om att använda befintliga processer skulle kräva mycket intrikata manipulationer. Små nanopartiklar skulle behöva snurras runt tills de är i linje med atomär precision till andra delar av de växande mesokristallerna, och sedan skulle de behöva gelas ihop runt en mjuk distans för att så småningom bilda ett poröst nätverk.

5. Bakteriell navigering

Magnetotaktiska bakterier har den extraordinära förmågan att känna av små magnetiska fält, inklusive jordens egna, med små kedjor av nanokristaller som kallas magnetosomer. Dessa är kornstorlekar mellan 30–50 nanometer, gjord av antingen magnetit (en form av järnoxid) eller, mindre vanligt, greghite (en kombination av järnsvavel). Flera egenskaper hos magnetosomer samverkar för att producera en vikbar "kompassnål", många gånger känsligare än konstgjorda motsvarigheter.

Även om dessa "sensorer" endast används för att navigera korta avstånd (magnetotaktiska bakterier är damm-boende), deras precision är otrolig. Inte bara kan de hitta sin väg, men varierande kornstorlek gör att de kan behålla information, medan tillväxten är begränsad till de mest magnetiskt känsliga atomarrangemangen.

Dock, som syre och svavel förenar glupskt med järn för att producera magnetit, greghite eller över 50 andra föreningar – av vilka endast ett fåtal är magnetiska – stor skicklighet krävs för att selektivt producera den korrekta formen, och skapa magnetosomkedjorna. Sådan skicklighet är för närvarande utom vår räckvidd men framtida navigering kan revolutioneras om forskare lär sig hur man efterliknar dessa strukturer.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.