بسمه تعالي
نانو ساختارهای زیستی در خلقت
نانو ساختارهای زیستی در خلقت
مولکولهاي پروتئيني حياتي از نظر ابعاد در محدوده فناوری-نانو قرار مي گيرند، اما جايگاه اصلي بررسي آنها در حوزه اي ديگر به نام بیو(زیست) است. چنانچه در ارتباط با حوزه بیو مشاهده می شود، فناوری نانو ممکن است در برخي از زمينه-ها زیر مجموعه اي از حوزه هاي تحقيقاتي ديگر باشد. حوزه فناوری زیستی(بیوتکنولوژی) امروزه به طور موازی با فناوری نانو در حال توسعه است و محققان فناوری نانو و فناوری زیستی با هم در بسیاری از زمینه ها همکاری دارند. فناوری زیستی، فناوری استفاده از علم ژنتیک برای تولید محصولات جدیدی از گیاهان و حیوانات است. کار با ساختارهای پروتئینی اصلیترین بخش این فناوری است. شکل(1). تلفیق فناوری بیو و نانو باعث ایجاد حوزه ای به نام نانوبیو-فناوری یا نانوبیوتکنولوژی شده است. نانوبیوفناوری بخشی از فناوری نانو است که به علوم زیستی مرتبط می شود. این ارتباط میتواند به دو صورت باشد: استفاده از مواد نانومتری در ساختار های زنده و استفاده از ساختارهای زنده برای توسعه محصولات فناوری نانو. اصلی ترین بخش های مرتبط با نانوبیوفناوری؛ داروسازی، مواد غذایی، محیط زیست، پزشکی، علوم زیستی و اعصاب، ارتباطات و ابزار هستند.
شکل1- ابعاد DNA در محدوده بین 1 تا 100 نانومتر است.
کشفDNA زير ميکروسکوپ در دهه 50 ميلادي گام بلندي در عرصه تحقيقات زیستی بود و پس از آن با برش و الصاق دلخواه رشته-هاي DNA علم ژنتيک توسعه يافت و هم اکنون تحقيقات به اين سمت مي رود که با طراحي پروتئين ها به خواص دلخواه دست يابند. در اين جهت فناوری نانو به خوبي به کمک فناوری بیو خواهد شتافت.
ویژگی بین رشته ای فناوری نانو، درک و توسعه آن را برای محققین دشوار نموده است. فناوری میکرو و نانو در خلقت را نانوبیونیک اطلاق می کنند. بيونيك كه به آن بيومتريك يا مهندسي خلاق زيستي هم مي‌گويند كاربرد ساز و کارهای زیستی موجود در طبيعت در چرخه طراحی و مهندسي و فناوري‌هاي مدرن است. در حقیقت بیونیک آموختن فنون مهندسی از خلقت است. به این حوزه از دانش، الهام از طبیعت گفته شده است. این علم ساختارهای طبیعی را به همراه قابلیتهای ویژه آنها رصد کرده و سعی به استفاده از آن در طراحی های مهندسی دارد. تاکنون در حوزه های مواد، البسه، معماری، انرژی، هوافضا و نور و ... از طبیعت استفاده شده است. کلمه طبیعت(Nature) را کسانی استفاده می کنند که قائل نیستند، همه موجودات و هستی خالقی مدبر دارند، لذا برای تاکید بر این موضوع جایز است جای این کلمه از واژه خلقت استفاده شود.
رویکرد الهام از خلقت با سرعت پیش می رود و همچنان ناشناخته های بیشتری از ساختمان بدن موجودات وجود دارد که برای مهندسی ساختارهای مشابه مفید است. بخشی از این تلاش ها برای ساخت تجهیزاتی است که بتوانند انرژی زیادی را تولید و ذخیره کنند. سلول های خورشیدی و پـیلهای سـوختی و باتری ها فناوری های جدیدی هستند که انرژی برق را با ساز و کاری شبیه به بخشی از ساز و کار برگها در فرایند فوتوسنتز، تامین یا ذخیره می کنند.
ویژگی خود تميز شوندگي که از خلقت الهام گرفته شده است، در حقیقت ایجاد سطحی ویژه است که تمایلی به جذب ذرات کثیف ندارد. خصـوصیـت خـود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی به خاطر برجستگی های نانومتری روی برآمدگیهای میکرونی است که خصوصیت آبگریز به آنها میدهد. لباس، بتن و شیشه از این خصوصیت برای دفع آب و روغن استفاده کرده اند. در اینجا آنچه تغییر میکند رفتار قطره آب آلوده با سطح یا کشش سطحی بین این دو است.
شکل2- خـود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی
رنگ بدون رنگدانه، طرحی است که محققان علم مواد در حوزه فوتونیک به دنبال آن هستند. بال پروانه نانوساختاری دارد که منجر به انعکاس طول موج رنگهای مختلف بین 400 تا 700 نانومتر می گردد. برخی پروانه ها رنگی هستند، حتی اگر در بال آنها هیچ رنگی نباشد). این رنگ به خاطر نانوساختار سطح بالها ایجاد شده است. ابعاد این ساختار در محدوده نور مرئی و نزدیک به ابعاد نانومتری (1 تا 100 نانومتر) می باشد، این امر به پراکنش رنگهای متفاوت منجر می شود. توجه به خلقت نشان می دهد که ساختار پیچیده بدن حیوانات و تنه گیاهان می تواند منشا، خلق محصولاتی گردد که بشر به طور موثر از آنها استفاده کند.
شکل3- ساخت رنگ بدون رنگدانه
در پای نوعی مارمولک به نام گِکو نانوساختارهایی وجود دارد که تعداشان به حدود 500000000 نانوموی منعطف می رسد. آنها باید از نظر تئوری 2 کیلوگرم وزن داشته باشند، این ساختارها در هر پنجه پای مارمولک، به آن کمک می کنند که روی دیوار راه برود.
شکل4 - چسبندگی پای گکو
کاهش اصطکاک و سایش در تماس شن و دندانه های نانومتری در فلس های ماهی شنزار باعث می شود که بتواند در مدت نیم ثانیه زیر شن پنهان شود.
شکل5- ماهی شنزار
سطوح برآمده آبدوست و برجستگیهای نانومتری بال سوسک سیاه به عنوان سطوح پست در پوست باعث جمع آوری بهینه رطوبت می شوند.
شکل6 - برجستگیهای نانومتری بال سوسک سیاه
شکل7- خطوط پست و بلند نانومتری در کانال های میکرومتری پولک کوسه
شکل8- نانوشیارهای روی پای آبدزدک
ساختار ریز آبالون ( نام این صدف)خیلی جالب است. آبالون ها بسیار محکم هستند. استحکام این صدف ها دو برابر پیشرفته ترین سرامیک های حال حاضر است. دانشمند امریکایی به نام کالرین تالر این موضوع را بررسی کرده است. با بزرگنمایی 300000 برابر به کمک میکروسکوپ الکترونی پویشی، تصویری از ساختار ریز این صدف به نمایش رسید که نشان می داد ساختار آبالون شبیه یک دیوار آجری است. آجرهایی از کربنات کلسیم که به کمک ملاتی از پروتئین ها در کنار هم هستند. علیرغم ساختار بسیار شکننده کربنات کلسیم صدف بسیار محکم بوده و شکنندگی بسیار کمی دارد. این به خاطر ساختار ورق ورق آن است. اکسیدها طبیعتی سخت دارند. آلیاژهای آلومینیومی بورون کربید از این الگو استفاده کرده اند. این مواد در یک تانک آمریکایی استفاده شده اند. از نحوه شکستن یک کوزه به عنوان یک ماده از کانیهای طبیعی فراموش نخواهید کرد که اکثر مواد سرامیکی ساخت بشر بسیار شکننده هستند. اما در زره تانک مواد ترکیبی جدیدی مورد استفاده قرار گرفته است که می توانند این مشکل را رفع کند. مانند آبالون علاوه بر مواد سرامیکی معمول مواد دیگری با پوشش همراه شده که مانع شکستن و خرد شدن ساختمان ماده می شود. ترک برداشتن و شکستن به خاطر آن است که مواد نمی توانند انرژی ناگهانی برخورد را گرفته یا جذب کنند.
شکل9- تانکی با بدنه کامپوزیتی
ساختار نانومتری آبالون قبلاً با تلفیق مواد آهکی و پروتئینها این کار را انجام داده است. با الهام از این خصوصیت صدف دانشمندان با ترکیب الیاف ساخت بشر و پلیمرها مواد کامپوزیت(چند سازه ها) جدیدی ساخته اند.
شکل 10- صدف دریایی یا آبالون (Abalone) که جزء کریستالهای فوتونیک هم است.
صدف دریایی یک موجود دریایی است. پوسته های محکم و رنگین صدف که در درجه حرارتهای بسیار بالا هیچ آسیبی نمی بیند و یک ساختمان مورد توجه برای محققان بوده است به خاطر آن است که این ساختمان شبیه به دیواری است که آجرهایی از سنگ(مواد معدنی و سرامیکی) و ملاتی از پروتئینها دارد.
فایبرگلاس یا الیاف شیشه از الیاف پر مصرف است که با ترکیب دیگر مواد مورد استفاده قرار می گیرد. ماشینهای فرمول یک، قایقها، هواپیماها و سفینه ها ساختار مشابهی در خلقت دارند. پوست تمساح از نمونه ساختارهای محکم و ضخیم خلقت است. این ساختار دارای الیافی است که در بین مواد پروتئینی دیگر قرار گرفته اند.
شکل 11- سازندگان قایق ها و هواپیماهای کامپوزیتی الیاف شیشه (فایبرگلاس) و کربن از بدن تمساح الگو گرفته اند.
منبع : http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/428
