نانو در طبیعت

ویکی پی جی/ بال های درخشان پروانه ها، فلس های رنگارنگ ماهی ها و پر فوق العاده زیبای طاووس چه چیز مشترکی با یکدیگر دارند؟ تمام آن ها رنگ های قوس قزحی زیبا دارند. اما این رنگ ها به شکل بسیار زیبایی به وسیله تعامل فیزیکی نور با ساختار پیچیده در مقیاس نانو ایجاد می شوند.

اکثر مخلوقات رنگ خود را از رنگدانه ها و رنگ ها می گیرند. رنگ ها و رنگ دانه ها مولکول هایی هستند که طول موج های مشخصی از نور را جذب یا منعکس می کنند. اما طبیعت راه دیگری برای ایجاد رنگ هم دارد و می تواند با ساختن سازه های مولکولی که نور را جذب یا پراکنده می کنند رنگ ایجاد کند. اورگانیسم های مشخصی از این تردستی های نوری به شکل ماهرانه استفاده کردند و رنگ های قوس قزحی بسیار فریبنده ای ایجاد کرده اند که سایر موجودات را بی رنگ جلوه می دهد.

درحالی که رنگدانه های رنگی پس از مرگ تجزیه شده و از بین می روند رنگ های ساختاری می توانند برای قرن ها یا هزاران سال باقی بمانند.تمام رنگ های ساختاری با اپتیک ایجاد می شوند. اپیتیک فرآیند فیزیکی است که منجر به خم شدن پرتو نور، پراکنده شدن یا تعامل به اشکال مختلف می شود. اغلب این تردستی های نوری از تغییر محیط استفاده می کنند.

هنگامی که نور مرئی از یک محیط وارد محیط دیگری می شود (به عنوان مثال از آب به هوا یا برعکس) طول موج های مختلف با زوایای مختلف خم می شوند و فیزیکدانان به این فرآیند شکست می گویند. شکست می تواند دو پرتو نور را به یکدیگر برخورد داده و پرتو بزرگتر و روشن تری را ایجاد کند. به این فرآیند تداخل سازنده می گویند و این فرآیند اساس تشکیل روشن ترین رنگ های طبیعی در جهان است.

در سایر موارد تداخل ویرانگر رخ می دهد و موج ها یکدیگر را حذف می کنند.در طبیعت، ارگانیسم ها ساختار های متنوعی در مقیاس نانو می سازند تا نور را به اشکال مختلف بشکند و منعکس کند. توری پراش یکی از رایج ترین انواع این ساختارها است. توری پراش سطحی دارای شیار است که نور را بین دو محیط خم می کند و بر هم کنش بین امواج را کنترل می کند. پرهای خارق العاده دم طاووس و رنگ های قوس قزحی بال پروانه ها مثال هایی از این سیستم هستند.

رنگ های ساختاری ویژگی دیگری نیز دارند که در نتیجه تداخل های فیزیکی رخ می دهد. گاهی اوقات رنگی که از جسم می بینیم بنا بر زاویه دید متفاوت است. زمانی که این اتاق رخ می دهد به آن قوس قزح می گوییم. این ویژگی در سطح صاف روغن، سنگ اوپال و صدف ها دیده می شود.

نخستین گونه های جانوری که رنگی بودند به دوره کامبرین یعنی 500 میلیون سال قبل باز می گردد. در این دوره تکامل به سرعت پیش رفت به نحوی که چشم ها از سنسورهای نوری معمولی به ارگان های پیچیده عصبی تبدیل شدند که توانایی تشخیص رنگ، سایه و کنتراست را داشتند. زیست شناسان معتقدند که گسترش دید پیشرفته، رقابتی را میان شکار و شکارچیان به وجود آورد که منجر به ایجاد رنگ های بسیاری برای جلب توجه، استتار یا برقراری ارتباط شد.

رنگ های ساختاری از آن زمان به شکل مجزا در گونه های مختلف تکامل یافته اند و امروزه در گیاهان، ماهیان، حشرات، پرندگان و پستانداران مشاهده می شوند.
رنگ های ساختاری تنها جذاب نیستند و مزایای زیادی دارند که هیچ گونه ارتباطی به زیبایی یا ظاهر ندارند. اکنون برخی از این رنگ ها محرک موج جدیدی از فن آوری های الهام گرفته شده از زیست شناسی هستند.

– نامرئی شدن:
اگرچه پوشش رنگارنگ می تواند راهی برای جذب جفت در طبیعت باشد اما می تواند راهی برای استتار نیز باشد. به عنوان مثال ساردین های نقره ای و شاه ماهی ها از براق ترین موجودات این کره خاکی هستند. درخشان بودن این جانوران به دلیل وجود لایه هایی از کریستال های بسیار درخشان گوانین است که درون سلول های پوست آن ها قرار گرفته است.

با ترکیب دو نوع کریستال که خواص شکست نور متفاوتی دارند، بدن این ماهی ها قسمت اعظم نوری که به آن ها می تابد را بازتاب می کنند و درخششی نقره ای به آن ها می دهند. در آب های شفاف فلس ها نور را در تمامی جهات به شکل مساوی پراکنده می کنند و به این ترتیب بدن ماهی را به آینه تبدیل می کنند.

اما بزرگترین استادان استتار زیر دریا سرپایان (ماهی مرکب، کیسه ماهی و اختاپوس) هستند. نوعی هشت پا می تواند با تغییر استراتژی استتار خود بسته به روشنایی محیط خود را به طور کامل مخفی کند. هنگامی که نور خورشید از بالا می تابد می تواند بدون تغییر از پوست آن ها رد شود و جانور کاملا شفاف می شود و زمانی که در تاریکی قرار دارند، پوست آن ها تیره می شود تا با محیط اطراف تطابق پیدا کند.

شو یانگ، استاد علم مواد دانشگاه پنسیلوانیا که بیشتر طراحی های خود را با الهام از طبیعت انجام می دهد، مجذوب استتار زیر آب شده است. وی توضیح می دهد که چگونه سرپایان شفاف سلول های رنگی درون پوست خود دارند. وقتی اختاپوس منقبض می شود این رنگدانه ها آنقدر کوچک هستند که نور به آسانی از جانور عبور می کند اما زمانی که اختاپوس کشیده می شود رنگدانه ها کشیده می شوند تا نور را منعکس کنند.

اگر بتوان این فرآیند را به شکل مصنوعی بازسازی کرد می توان انقلابی در زمینه بازده انرژی ساختمان ها ایجاد کرد. ماده ای که بتواند بنا بر شدت نور شفاف یا کدر شود می تواند برای پنجره ساختمان ها مورد استفاده قرار گیرد و در روزهای سرد نور بیشتری را به داخل اتاق بفرستد و در روزهای گرم از ورود نور بیش از حد به داخل ساختمان جلوگیری کند. گروه تحقیقاتی این دانشمند روی ماده مصنوعی لاستیکی حاوی نانوذرات خم کننده نور کار می کنند که برای چنین منظوری ساخته خواهد شد.

– ضد آب بودن:

جانوران رنگی اندکی هستند که به اندازه پروانه های قوس قزحی ستایش شده باشند. رنگ بال این حشرات از فلس های میکروسکپی ساخته شده است که از لایه بالایی و پایینی و ستون های بین آن ها تشکیل شده اند. در میان این لایه ها ملانین (رنگدانه ای که رنگ های سیاه و قهوای را ایجاد می کند) قرار دارد. همانطور که نورداخل ساختار کریستالی فلس پراکنده می شود رنگ های قوس قزحی آبی، سبز و قرمز ایجاد می کند. نتیجه این فرآیند ایجاد نمایش پیچیده و چند بعدی از رنگ ها است.

اما فلس ها برای حشرات نقش بسیار مهم تری نسبت به زیبایی ظاهری دارند. و نقش آن ها در حقیقت خشک نگه داشتن حشره است. سطح فوقانی فلس های بال پروانه از شیارهای موازی تشکیل شده است که سطحی با زبری نانو متری ایجاد می کند. هنگامی که آب به این سطوح برخورد می کند به شکل کروی درآمده و از روی سطح می لغزد. همانطور که قطره روی سطح بال می لغزد خاک و آلودگی روی سطح بال را نیز با خود حمل کرده و در نتیجه بال را تمیز نگه می دارد. برای پروانه ها، این مکانیزم خودتمیز شوندگی و ضد آب بودن بسیار حیاتی است و در غیر این صورت بال ها خیس شده و کارآیی خود را از دست می دهند.

فلس های بال پروانه ها برای دانشمندان علم مواد بسیار جذاب هستند. چند سال پیش گروه تحقیقاتی پروفسور یانگ پوشش اسپری ساختند که ویژگی های رنگی و ضد آبی مانند بال پروانه ها داشت. هنگامی که این اسپری روی سطحی اعمال می شد، ذرات نانومتری لایه نامرئی زبر روی سطح آب ایجاد می کردند که قطره های آب را از سطح دفع می کرد. این ماده ممکن است روزی برای ساخت پنل های خورشیدی، ساختمان ها و صفحات نمایش کارآمد تر به کار گرفته شوند.

تولید انرژی:
نمی توانیم در مورد رنگ و تکامل صحبت کنیم و به گیاهان اشاره نکنیم، برخی از آن ها از رنگ های قوس قزح برای افزایش انرژی تولیدی خود استفاده می کنند. گیاه Selaginella willdenowii نوعی خزه است که برگ های آن هنگامی که در حال رشد در سایه هستند درخشش سبز-آبی دارند اما این خاصیت را با افزایش عمر یا قرار گرفتن در معرض نور زیاد از دست می دهند. این رنگ به وسیله سلول هایی که در لایه بالایی اپیدرم قرار دارند ایجاد می شود. این سلول ها داخل لوله هایی از سلولز قرار گرفته اند و با مقادیر متفاوت آب پر شده اند.
یک نظریه مطرح می کند که پراکنده شدن نور در فیبر های سلولز به گیاهان اجازه می دهد تا مقدار بیشتری از تشعشع خورشید با طول موج بلند را جذب کنند. گیاه می تواند در نور شدید با تغییر مقدار آب موجود در دیواره سلول ها قوس و قزح را از بین ببرد. بنابراین این رنگ های زیبا با ظاهر گیاه ارتباط نداشته و برای تامین انرژی آن ایجاد شده اند.