Obwohl sie als eine sehr neue menschliche Erfindung wahrgenommen werden, sind sie laut fossilen Funden seit der Antike in der Natur vorhanden. Heute stellen wir Ihnen den größten Nanotechnologen der gesamten Weltgeschichte vor - die Natur. Wir zeigen Ihnen, warum die größte Inspirationsquelle für Nanotechnologen immer noch die Natur ist, und wie Sie selbst feststellen werden, können wir noch viel von ihr lernen.
Wie stellt man selbstreinigende Farben ohne Pigmente her? Lassen Sie uns von Insekten inspirieren.
Wir haben vor langer Zeit entdeckt, dass Farben Pigmente erzeugen können. Aber die Natur hat uns vor einiger Zeit davon überzeugt, dass es auch andere Möglichkeiten gibt. Die Flügel einiger Insekten wie Schmetterlinge sind mit Chitin-Nanostrukturen bedeckt. Ihre Größe liegt nahe an der Größe der Wellenlängen des sichtbaren Lichts.
Diese Nanostrukturen dienen als entspiegelnde und selbstreinigende Oberflächen, mechanische Verstärkung, Unterstützung der aerodynamischen Eigenschaften der Tragflächen und schaffen auch eine irisierende Farbgebung, also eine, die alln Farben des Regenbogens enthält.
Was ist Irisieren?
Irisieren ist das Ergebnis des Zusammenspiels von Lichtstrahlung und Nanostrukturen. Bei Schmetterlingen der Gattung Morpho aus der Familie der Edelfalter beispielsweise erzeugen diese Nanostrukturen natürliche photonische Kristalle, deren Manifestation die schillernde blaue Farbe der Flügel der oben genannten Schmetterlinge ist. An der Farbbildung ist kein Pigment beteiligt.
Wissenschaftler beschäftigen sich intensiv mit diesen Strukturen und suchen nach Verwendungsmöglichkeiten für sie. Die Anwendung solcher Strukturen bietet sich nicht nur bei der Herstellung dauerhafter farbiger Oberflächen an, sondern beispielsweise auch in optischen Kommunikationstechnologien oder bei der Entwicklung von Sensoren, die kleinste Temperaturänderungen erkennen.
Aus Zellulose-Nanofasern könnten billige und ungiftige Farben hergestellt werden
Wie neuere Forschungen gezeigt haben, ist die auffällige Weißfärbung südasiatischer Skarabäen der Gattung Cyphochilus auch auf die Nanostruktur des Chitins zurückzuführen, indem Lichtstrahlen an dieser Struktur gestreut werden. Wissenschaftlern ist es gelungen, eine solche Struktur auf dünnen Membranen aus Zellulose-Nanofasern nachzuahmen.
Ein solches Material ist billig, leicht verfügbar, ungiftig und im menschlichen Körper verwendbar. Es könnte bei der Herstellung von Farben, Konsumgütern, Kosmetik oder Lebensmitteln eingesetzt werden. Die Natur kann auch andere Strukturfarben als Chitin erzeugen. Der Drefarben-Glanzstar ist ein schöner Verwandter des Stares und erstrahlt in metallischem Glanz.
Gleichzeitig entsteht die Färbung durch Nanostrukturen aus Melanosomen, Zellsäcken mit Melanin. Melanin ist zwar ein Pigment, in diesem Fall geht es aber um eine rein physikalische Färbung, die durch Lichtstreuung entsteht. Die schön metallisch glänzenden Früchte des afrikanischen Krauts Pollia condensata aus der Familie der Commelinagewächse sind wiederum dank Nanostrukturen aus Zellulosefasern gefärbt.
Sogar Chamäleons sind Nano, wissen Sie warum?
Diese bemerkenswerten Eidechsen sind berühmt für ihre Fähigkeit, ihre Farbe zu ändern, um sich an ihre Umgebung anzupassen. Wenn ein Chamäleon seine Farbe wechselt, zum Beispiel von Türkis zu Rosa, Orange oder Grün, ist tatsächlich Nanotechnologie am Werk. Der Punkt ist, dass beim Maskieren die Nanokristalle manipuliert werden, die Chamäleons in ihrer Haut haben.
Die Anordnung der Nanokristalle bestimmt die resultierende Farbe der Haut. Die Tarnung von Chamäleons ist beispielsweise zu einer Inspiration für die Entwicklung von Nanolasern geworden, die aus einer Ansammlung von Metallnanopartikeln bestehen, die auf einem elastischen Polymersubstrat angeordnet sind.
Die Bewegungen der Polymerbasis verändern die Anordnung der Nanopartikel, was wiederum die Wellenlänge der Strahlung des Nanolasers, also die Farbe seines Strahls, bestimmt. Nanolaser könnten ihren Weg in berührungsoptische Displays, photonische Schaltungen oder optische Kommunikation finden.
Geckos können dank nanoskaliger Strukturen auf Glas laufen
Geckos verfügen über hervorragende natürliche Nanotechnologie. Die Oberfläche ihres Fußes kann innerhalb von Millisekunden ohne sichtbare Anstrengung für die Eidechse fest an praktisch jeder festen Oberfläche haften. Es ist ein rein physikalischer Vorgang, bei dem keine Chemie eine Rolle spielt. Geckos haben eine Schicht aus winzigen, weichen, flexiblen Keratinborsten an ihren Füßen, die etwa 200 Nanometer messen. Sie sind so angeordnet, dass sie die effektive Wirkung molekularer Van-der-Waals-Kräfte ermöglichen. Außerdem ist die Oberfläche der Geckofüße durch diese Nanostruktur selbstreinigend.
Lotusblätter inspirierten hydrophobe Oberflächen in Autokosmetik und Textilien
Viele Pflanzenarten haben eine etwas extreme Lebensweise und sind dafür mit einer Reihe nützlicher Anpassungen ausgestattet. Darunter sind auch Nanotechnologien, die diesen Pflanzen das Leben erleichtern. Lotusse wachsen in stehenden oder langsam fließenden Gewässern der Tropen und Subtropen. Ihre Blätter haben eine spezielle Oberfläche, die 10 Mikrometer große Vorsprünge bildet, zwischen denen sich etwa 100 Nanometer große Wucherungen aus hydrophobem, wachsartigem Material befinden. Die resultierende Oberfläche des Lotusblattes ist superhydrophob und hat eine hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit. Die Nanostruktur der Blattoberfläche minimiert die Fläche, auf der Wasser oder Schmutz haften können. Die Nanotechnologie des Lotus hat bereits eine ganze Reihe von Farben, Kleidung, Reinigungsmitteln für Bad und Haushalt sowie Autoteile inspiriert.
Fleischfressende Pflanzen gegen biologischen Verschmutzung
Bizarre fleischfressende Kannenpflanzen haben die Mündungen ihrer Fallen mit einer rutschigen Oberfläche mit einer Nanostruktur ausgekleidet, die winzigen Falten ähnelt. Wenn ein Insekt auf eine solche Oberfläche gelangt, ist sein Schicksal besiegelt. Er schlüpft in eine Falle, wo ihn die Pflanze nach und nach verzehrt.
Wissenschaftler haben ähnliche Oberflächen mit Nanofalten geschaffen, auf denen sich die für die biologische Verschmutzung verantwortlichen Mikroorganismen praktisch nicht ansiedeln können. Eine solche Oberfläche funktioniert auch in aggressivem Meerwasser. Es ist formbar und zudem sehr transparent, sodass es für Optiken und Sensoren verwendet werden kann, die dauerhaft Wasser ausgesetzt sind.
Auch Tiere wenden ähnliche Tricks an. Auf der Oberfläche des Facettenauges bestimmter Motten gibt es sechseckige Wucherungen, die einige hundert Nanometer messen, und der Abstand zwischen ihnen ist ähnlich. Sie erzeugen eine Nanostruktur, deren Ordnung kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist. Das Auge nimmt die Lichtstrahlung dann wesentlich effizienter auf. Dank dieser Anpassung können Motten in dämmrigen oder dunklen Umgebungen viel besser als Menschen sehen. Ähnliche Strukturen haben beim Bau von thermo photovoltaischen Zellen Anwendung gefunden.
Die Natur als Erfinderin fester und leichter Materialien
Die natürliche Auslese hat erstaunliche strukturelle Nanomaterialien hervorbringen können, dank denen zum Beispiel die Skelette und Schalen von Organismen sehr stark und oft auch sehr leicht sind. Eines der stärksten natürlichen Materialien ist Perlmutt, eine organisch-anorganische Mischung, die von einigen Weichtieren in ihren Schalen verwendet wird.
Perlmutt wird durch die Ablagerung von amorphem Calciumcarbonat in den porösen Chitinschichten gebildet. Dabei entsteht ein kristallines Material mit Calciumcarbonat-Nanoplättchen in Form von Aragonit, Chitin und auch Proteinen. Diese Struktur macht Perlmutt sehr hart. Ähnliche Nanokomposite werden in vielen Labors hergestellt und könnten mit der Zeit beispielsweise in persönlichen Rüstungen, Baumaterialien, langlebiger Elektronik oder vielleicht in Luft- und Raumfahrttechnologien verwendet werden.
Labors hergestellt und könnten mit der Zeit beispielsweise in persönlichen Rüstungen, Baumaterialien, langlebiger Elektronik oder vielleicht in Luft- und Raumfahrttechnologien verwendet werden.
Die Herstellung von extrem haltbarem Beton wurde von Seeigeln inspiriert
Die Stacheln von Seeigeln bestehen aus Calcit, also Kalziumkarbonat, das meist sehr spröde und brüchig ist. Aber diese Stacheln sind viel stärker als sie sein sollten. Ihre Nanostruktur sorgt für ihre Härte und Festigkeit.
Seeigel haben Materialwissenschaftler inspiriert, die die Nanostruktur ihrer Stacheln genutzt haben, um extrem haltbaren und starken Beton zu entwickeln. Dieser Beton könnte verwendet werden, um eine bis zu 8 Kilometer hohe Säule zu bauen, bevor sie unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbricht.
Eine Baustahlsäule würde in 3 Kilometer Höhe einstürzen. Sowohl Perlmutt als auch Seeigelstacheln bilden ein Material mit einer mesokristallinen Nanostruktur, die ihm gleichzeitig Festigkeit und Leichtigkeit verleiht.
Natürliche Nanopartikel umgeben uns überall
Auch bei der Herstellung von Nanopartikeln ist die Natur eine geschickte Nanotechnologin. In der Umwelt gibt es viele verschiedene Nanopartikel, die durch chemische und biologische Prozesse entstehen. Diese Nanopartikel können uns inspirieren und wir können sie auch direkt in diversen Anwendungen einsetzen.
Meerwasser enthält Nanopartikel, die für die Biomedizin geeignet sind
Beispielsweise gibt es Nanopartikel aus Calciumcarbonat in den Oberflächenschichten von Wasser, die in der Biotechnologie, Industrie und Landwirtschaft verwendet werden können. Aluminiumoxid-Nanopartikel können in der Wasserreinigung oder Quarz-Nanopartikel verwendet werden, die in der Biomedizin, in der Lebensmittelproduktion oder in der Katalyse eingesetzt werden können. Quarz-Nanopartikel finden sich auch in Material von Vulkanausbrüchen. Meerwasser enthält Calciumsulfat-Nanopartikel, die für die Biomedizin geeignet sind. Es gibt auch Silber-Nanopartikel im Wasser mit einer Vielzahl von Verwendungszwecken.
Nanopartikel aus der Natur können auch in der Landwirtschaft eingesetzt werden
In den Sedimenten finden sich nach dem Rückzug des Gletschers Eisen(II, III)-oxid-Nanopartikel, die in der Diagnostik, Biomedizin, Sensoren oder Superkondensatoren eingesetzt werden können. Mangandioxid-Nanopartikel aus Ocker eignen sich zur Wasserreinigung und Katalyse. Schwefel-Nanopartikel können in Schwefelquellen für die Biomedizin oder die Landwirtschaft gefunden werden. Erze enthalten Gold-Nanopartikel, die in Biosensoren und in der Biomedizin verwendet werden. Nanopartikel können auch in Ausatmungen gefunden werden, wie Kohlenstoff- oder Platin-Nanopartikel, die dann in verschiedenen nützlichen Anwendungen dienen können.
Literaturverzeichnis
- Parker, A. R. (2003). On being blue: natural blue pigments and dyestuffs. Chemical Society Reviews, 32(5), 342-352.
- Fernández‐García, M., & Stamplecoskie, K. G. (2015). Nanochemistry: An emerging field in the intersection of materials, energy, and biology. Particle & Particle Systems Characterization, 32(3), 191-192.
- Suresh, S., Karthikeyan, S., & Singaravelu, G. (2018). Biologically inspired nanotechnology: Advances and prospects. Applied Nanoscience, 8(2), 91-97.
- Sarikaya, M., & Aksay, I. A. (2011). Biomimetics: Lessons from nature—An overview. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 369(1945), 1598-1613.
- Bhushan, B., & Gupta, B. (2008). Biomimetic hierarchical structures for hydrophobicity, self-cleaning, and low adhesion. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1870), 1557-1574.
- Siddique, M., Parveen, S., & Anjum, S. (2018). Nature-inspired materials: synthesis, properties, and applications. Journal of Materials Research and Technology, 7(3), 317-329.
- Bergamo, V. Z., & de Oliveira, M. G. (2020). Nanotechnology and biomimetics: new perspectives for the treatment of infectious diseases. RSC Advances, 10(32), 18806-18822.
- Song, J., Li, X., Zhao, L., Lin, X., Ding, Y., & Pan, X. (2020). The emerging role of biomimetic nanotechnology in combating COVID-19. Journal of Materials Chemistry B, 8(42), 9695-9711.
- Li, D., Li, L., Li, Y., Liu, J., & Li, Q. (2019). Nature-inspired materials for biomedical applications: Synthesis, surface modification, and application. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 184, 110538.
- Wang, X., Xie, H., Xue, B., & Xia, Y. (2021). Biomimetic materials design and applications. Nano Today, 36, 101013.
Lucie Konečná bewegt sich seit 7 Jahren im Bereich Nanotechnologie, sie ist Mitbegründerin des Projekts „Tschechien ist Nano“ und arbeitet langfristig daran, Nanotechnologien ins allgemeine Bewusstsein zu heben. Seit Mai 2020 leitet sie den Betrieb des nanoSPACE-Onlineshops.