دو ویژگی برای رفتارهای ویژه در طبیعت که به نانوساختارها مرتبط است، وجود دارد: یکی اینکه اکثر آنها مدت ها از دید انسان ها پنهان مانده اند و زمانی شناخته شده اند که با دقت بالا مورد بررسی قرار گرفته اند. ویژگی دوم اینکه دارای جذابیت هایی بالا برای طراحی محصولات جدید با ثبات و پایداری هستند که مشکلات عمومی نانوساختارهای سنتزی را ندارد. ساختار برخی از موجودات زنده همچون کرم های شب تاب ، نرم تنان دریایی و یا گونه هایی از قارچ ها، آن ها را قادر می سازد که از خود نور تولید کنند. عرق اسب آبی و برگ های بعضی از گیاهان شامل ذرات و ساختارهایی است که اشعه UV را جذب می نماید.ساختار زیستی برخی از موجودات زنده به گونه ایست که آنها را قادر به ردیابی مسیر براساس میدان مغناطیسی زمین می سازد. تابش نور، محافظت در برابر پرتوهای مخرب نوری، رفتار ضدباکتری و جهت نماهای مغناطیسی نانوساختار در طبیعت در این مقاله مرور شده است
بیولومینسانس
بیولومینسانس تولید نور در سیستم های زنده است. بهترین نماد این پدیده نور کرم های شبتاب است. اما گونه های دیگری از تابش، شامل باکتری ها، قارچ ها و ارگانیسم های دریایی خاص مانند ستاره دریایی، کرم های دریایی، انواع ماهی مرکب دریاهای عمیق؛ میگوها و ماهی ها است. این نوع رنگ ها در دریا بیشتر تحقق می یابد. در حیوانات بیولومینسانس به عنوان راهی برای شکار، استتار، و در واقع راهی برای ارتباط از راه تابش است.
بیولومینسانس در شبتاب ها پدیده ای نانومتری است که نور سبز و زرد را در انتهای شکم آنها ایجاد می کند. این نور در سلول هایی ایجاد شده که ماده ای شیمیایی به نام لوسیفرین را در بردارند. لوسیفرین (ترکیب نور دهنده) با اکسیژن و آنزیمی به نام لوسیفراز واکنش می دهد و نور می سازند. این حشره قادر است شدت نور را با تغییر جریان و حجم هوایی که از مجاری تنفسی اش وارد سلول می شود تغییر دهد. نور از تحریک الکترون ها با آنزیم شبتاب ایجاد می شود. وقتی الکترون ها از حالت برانگیحته خود به وضعیت عادی برمی-گردند، نور تابیده می شود. بازده ی لامپ های خانگی 10 درصد است اما کرم شبتاب با بازده ی 100 درصد نور تولید می کند.
شکل 1: کرم شبتاب
ماهی انگلر نیز از بیولومینسانس برای جذب شکار استفاده می کند. کروستاسیان ها و استراکادها هم با عنوان میگوهای دانه ای یا شبتاب های دریا شناخته می شوند و آنها نیز از آنزیم برای تولید بیولومینسانس استفاده می کنند. بی مهره های دیگر مانند نوعی ستاره دریایی که "سیفونوفور" نامیده می شود ، از نور بیولومینسانس ایجاد شده در مقیاس نانومتری بهره می برد. این رنگ قرمز نیست چون نور قرمز زیر آب به راحتی قابل رویت نیست.
در سال های اخیر بیولومینسانس با استفاده از نانومیله ها و نزدیک کردن آنزیم لوسیفرین به آن، شبیه سازی شده است. از این طریق، با تنظیم هندسه نانومیله ها می توان رنگ های مختلفی از جمله سبز، نارنجی و قرمز را ایجاد نمود. نانومیله ها از فلزات نیمه رسانا هستند.
یکی از ساختارهایی که منجر به رنگهای بیولومینسانس می شود، در سال 2008 کشف شد. GFP یا پروتئین فلورسانس سبز، پروتئینی است که در ابتدا از نوعی ستاره دریایی به نام "آئکره ویکتوریا" جدا شد. ژن GFP پس از تکثیر با تلفیق مجدد آن در باکتری های ای.کولی و سی.الگانس ، تابش خود به خودی ایجاد می کند، که این در غیاب هر گونه کاتالیست آنزیمی است. GFP میتواند در هر ارگانیزم دیگری نیز ایجاد تابش کند.
شکل 2: ساختار پایه نوعی پروتئین فلورسانس سبز (GFP)
رنگ های فلورسانس با دستکاری های پروتئینی، رنگ های آبی، صورتی و زرد نیز در کنار سبز زنده ایجاد کرد. پروتئین های خانواده GFP که از مرجان ها جدا شده بود نیز پلیمرهای فلورسانس قرمز و نارنجی را ایجاد کرد.
عملکرد ضدآفتاب
در بین ترکیب های شیمیایی عرق اسب های آبی به عنوان یک ماده ضدآفتاب، آبدوست و ضدباکتری شناخته می شود. در عرق این حیوان هیپوسودوریک اسید وجود دارد، که این عرق نور را در محدود طول موج 200 تا 600 نانومتر جذب می کند و پوست حساس و نازک اسب آبی را مانند کرم ضد آفتاب حفاظت می کند.
شکل 3: مولکولهای عرق اسب آبی
اما خاصیت جذب UV مخصوص این ماده نیست و جاذب هایUV در موجودات دریایی به همراه خاصیت ضدباکتری به وفور دیده می شود.
گیاه ادل ویز در کوه های آلپ در ارتفاعات 3000 متری یافت می شود. در این ارتفاع نور ماوراء بنفش شدت بالاتری دارد. اما گیاه با لایه ای از فیلامنت های توخالی پوشیده شده است. خود این فیلامنت ها با نانوساختارهایی که اندازه آنها 100 تا 200 نانومتر است پوشیده شده اند. این ابعاد تقریباً هم اندازه با طول موج نور UV است و نانوذرات گیاه را از تخریب در برابر این تابش منع می کند. این ساختار تقریباً همه نور مرئی را بازتاب می کند و این رنگ سفید گل را روشن تر می کند.
شکل 4 : گیاه ادل ویز که نانوساختار در آن محافظت از UV ایجاد کرده است.
تغییر رنگ
نرم تنان عموماً آفتاب پرست های دریا نامیده می شوند. خانواده نرم تنان قابلیت تغییر رنگ دارند، اما این تغییر رنگ بسیار جذاب تر از تغییر رنگ در آفتاب پرست ها است. برخلاف سلول رنگزای آفتاب پرست، نرمتنان سلول هایی دارند که با پیامهای محیطی تغییر رنگ می دهند. لایه های سلول ها روی هم به صورت صفحه صفحه قرار گرفته اند و از هم باز شدن این صفحات، به توانایی نرم تن در ایجاد طرح ها و رنگ های مختلف کمک می کند. معروف ترین این سلول ها کروماتوفورها هستند. مثلاً اختاپوس بابتیل هاوایی از یک فرایند دو جزیی برای پنهان ماندن از شکار استفاده می کند. مکانیزمی برای تولید نور دارد که سلول های تولید کننده نور لومینسانس را در مقیاس نانومتری تولید می کنند. اختاپوس دسته هایی از نانوصفحات دارد که از پروتئین های پشت بافت آن ساخته شده اند و برای انعکاس نور از داخل به کار می روند. زمانی که اختاپوس در بالای شکار است نور از سایه انداختن بر روی شکار جلوگیری می کند و هنگامی که پایین تر از شکار قرار دارد مثل یک شبح است.
شکل 5 : اختاپوس ها
نانوذرات مغناطیسی
میدان مغناطیسی زمین مرجع مهمی برای مسیریابی در خیلی از ارگانیسم های زنده به خصوص پرندگان شناخته شده است. یکی از جذابیتهای حیات حضور و فایده نانومواد مغناطیسی می باشد، که شاید تا به حال کسی این را یادآور نشده است که زنبورها و کبوترها از قطب نمای مغناطیسی برای جهت یابی استفاده می-کنند که ساختار نانومتری دارد .همچنین باکتری هایی وجود دارند که دارای نانومواد مغناطیسی هستند.
تولید نانوذرات مغناطیسی توسط مگنتیک باکتریهاست، که در محیط های آبی یافت می شوند. این باکتری ها کریستال های درون سلولی اکسیدآهن (مگنتیک) یا سولفید های معدنی آهن (اگرابیلیت) تولید می-کنند که در یک غشاء دو لایه ای بنام مگنتوزوم می باشد. مگنتوزوم ها به صورت زنجیره های نزدیک به هم درون سلول هستند و باعث جهت گیری و مهاجرت باکتری های مغناطیسی گرا در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین می شوند. این ذرات نانوذرات مغاطیسیFe3O4 ویا Fe3S4 با ابعاد 120- 35 نانومتر هستند. اطراف این ذرات یک غشاء قرار گرفته است. از لحاظ شکل کریستالی ذرات مغناطیسی آهن به صورت مکعبی، گلوله ای شکل و یا شش وجهی می باشد.
شکل 6 : باکتریهای مغناطیسی
قابلیت تشخیص میدان مغناطیسی در لاکپشت ها و خفاش ها و کبوترها هم دیده شده است. ذرات اکسید آهن در انتهای دندانه دار اعصاب اوفتالمیک در پوست نوک فوقانی کبوترها شناسایی و ثابت شده است که دقیقاً عملکرد یک گیرنده طبیعی را دارد. شکل و حالت ذرات اکسید آهن در نوک متنوع بوده است، اما بیشترین حالت، شکل صفحه ای از این ذرات است که ابعاد و حالت دقیقی دارند، که به آن "مگنتیت " گفته می شود. این صفحات که در شکل نشان داده شده اند در یک ساختار ویژه مرتب شده اند. هر صفحه مگنتیت طول و عرض یک میکرومتر و ضخامت 100 نانومتر دارد.
شکل 7 : صفحات مگنتیت بالای نوک کبوتر
جذب نور
نوع متدوالی از جلبک های تک سلولی دریایی از نانوساختارهای سیلیکا به قطر 5 الی 100 نانومتر در دیواره سلولی خود برخوردار است. این نانوذرات باعث تفرق شدید نور ورودی می شوند و به جلبک کمک می کنند از انرژی خورشید با بازده ی بیشتری استفاده کند
منابع:
نویسنده: حسن سلیمی - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
بیولومینسانس
بیولومینسانس تولید نور در سیستم های زنده است. بهترین نماد این پدیده نور کرم های شبتاب است. اما گونه های دیگری از تابش، شامل باکتری ها، قارچ ها و ارگانیسم های دریایی خاص مانند ستاره دریایی، کرم های دریایی، انواع ماهی مرکب دریاهای عمیق؛ میگوها و ماهی ها است. این نوع رنگ ها در دریا بیشتر تحقق می یابد. در حیوانات بیولومینسانس به عنوان راهی برای شکار، استتار، و در واقع راهی برای ارتباط از راه تابش است.
بیولومینسانس در شبتاب ها پدیده ای نانومتری است که نور سبز و زرد را در انتهای شکم آنها ایجاد می کند. این نور در سلول هایی ایجاد شده که ماده ای شیمیایی به نام لوسیفرین را در بردارند. لوسیفرین (ترکیب نور دهنده) با اکسیژن و آنزیمی به نام لوسیفراز واکنش می دهد و نور می سازند. این حشره قادر است شدت نور را با تغییر جریان و حجم هوایی که از مجاری تنفسی اش وارد سلول می شود تغییر دهد. نور از تحریک الکترون ها با آنزیم شبتاب ایجاد می شود. وقتی الکترون ها از حالت برانگیحته خود به وضعیت عادی برمی-گردند، نور تابیده می شود. بازده ی لامپ های خانگی 10 درصد است اما کرم شبتاب با بازده ی 100 درصد نور تولید می کند.
شکل 1: کرم شبتاب
ماهی انگلر نیز از بیولومینسانس برای جذب شکار استفاده می کند. کروستاسیان ها و استراکادها هم با عنوان میگوهای دانه ای یا شبتاب های دریا شناخته می شوند و آنها نیز از آنزیم برای تولید بیولومینسانس استفاده می کنند. بی مهره های دیگر مانند نوعی ستاره دریایی که "سیفونوفور" نامیده می شود ، از نور بیولومینسانس ایجاد شده در مقیاس نانومتری بهره می برد. این رنگ قرمز نیست چون نور قرمز زیر آب به راحتی قابل رویت نیست.
در سال های اخیر بیولومینسانس با استفاده از نانومیله ها و نزدیک کردن آنزیم لوسیفرین به آن، شبیه سازی شده است. از این طریق، با تنظیم هندسه نانومیله ها می توان رنگ های مختلفی از جمله سبز، نارنجی و قرمز را ایجاد نمود. نانومیله ها از فلزات نیمه رسانا هستند.
یکی از ساختارهایی که منجر به رنگهای بیولومینسانس می شود، در سال 2008 کشف شد. GFP یا پروتئین فلورسانس سبز، پروتئینی است که در ابتدا از نوعی ستاره دریایی به نام "آئکره ویکتوریا" جدا شد. ژن GFP پس از تکثیر با تلفیق مجدد آن در باکتری های ای.کولی و سی.الگانس ، تابش خود به خودی ایجاد می کند، که این در غیاب هر گونه کاتالیست آنزیمی است. GFP میتواند در هر ارگانیزم دیگری نیز ایجاد تابش کند.
شکل 2: ساختار پایه نوعی پروتئین فلورسانس سبز (GFP)
عملکرد ضدآفتاب
در بین ترکیب های شیمیایی عرق اسب های آبی به عنوان یک ماده ضدآفتاب، آبدوست و ضدباکتری شناخته می شود. در عرق این حیوان هیپوسودوریک اسید وجود دارد، که این عرق نور را در محدود طول موج 200 تا 600 نانومتر جذب می کند و پوست حساس و نازک اسب آبی را مانند کرم ضد آفتاب حفاظت می کند.
شکل 3: مولکولهای عرق اسب آبی
گیاه ادل ویز در کوه های آلپ در ارتفاعات 3000 متری یافت می شود. در این ارتفاع نور ماوراء بنفش شدت بالاتری دارد. اما گیاه با لایه ای از فیلامنت های توخالی پوشیده شده است. خود این فیلامنت ها با نانوساختارهایی که اندازه آنها 100 تا 200 نانومتر است پوشیده شده اند. این ابعاد تقریباً هم اندازه با طول موج نور UV است و نانوذرات گیاه را از تخریب در برابر این تابش منع می کند. این ساختار تقریباً همه نور مرئی را بازتاب می کند و این رنگ سفید گل را روشن تر می کند.
شکل 4 : گیاه ادل ویز که نانوساختار در آن محافظت از UV ایجاد کرده است.
نرم تنان عموماً آفتاب پرست های دریا نامیده می شوند. خانواده نرم تنان قابلیت تغییر رنگ دارند، اما این تغییر رنگ بسیار جذاب تر از تغییر رنگ در آفتاب پرست ها است. برخلاف سلول رنگزای آفتاب پرست، نرمتنان سلول هایی دارند که با پیامهای محیطی تغییر رنگ می دهند. لایه های سلول ها روی هم به صورت صفحه صفحه قرار گرفته اند و از هم باز شدن این صفحات، به توانایی نرم تن در ایجاد طرح ها و رنگ های مختلف کمک می کند. معروف ترین این سلول ها کروماتوفورها هستند. مثلاً اختاپوس بابتیل هاوایی از یک فرایند دو جزیی برای پنهان ماندن از شکار استفاده می کند. مکانیزمی برای تولید نور دارد که سلول های تولید کننده نور لومینسانس را در مقیاس نانومتری تولید می کنند. اختاپوس دسته هایی از نانوصفحات دارد که از پروتئین های پشت بافت آن ساخته شده اند و برای انعکاس نور از داخل به کار می روند. زمانی که اختاپوس در بالای شکار است نور از سایه انداختن بر روی شکار جلوگیری می کند و هنگامی که پایین تر از شکار قرار دارد مثل یک شبح است.
شکل 5 : اختاپوس ها
میدان مغناطیسی زمین مرجع مهمی برای مسیریابی در خیلی از ارگانیسم های زنده به خصوص پرندگان شناخته شده است. یکی از جذابیتهای حیات حضور و فایده نانومواد مغناطیسی می باشد، که شاید تا به حال کسی این را یادآور نشده است که زنبورها و کبوترها از قطب نمای مغناطیسی برای جهت یابی استفاده می-کنند که ساختار نانومتری دارد .همچنین باکتری هایی وجود دارند که دارای نانومواد مغناطیسی هستند.
تولید نانوذرات مغناطیسی توسط مگنتیک باکتریهاست، که در محیط های آبی یافت می شوند. این باکتری ها کریستال های درون سلولی اکسیدآهن (مگنتیک) یا سولفید های معدنی آهن (اگرابیلیت) تولید می-کنند که در یک غشاء دو لایه ای بنام مگنتوزوم می باشد. مگنتوزوم ها به صورت زنجیره های نزدیک به هم درون سلول هستند و باعث جهت گیری و مهاجرت باکتری های مغناطیسی گرا در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین می شوند. این ذرات نانوذرات مغاطیسیFe3O4 ویا Fe3S4 با ابعاد 120- 35 نانومتر هستند. اطراف این ذرات یک غشاء قرار گرفته است. از لحاظ شکل کریستالی ذرات مغناطیسی آهن به صورت مکعبی، گلوله ای شکل و یا شش وجهی می باشد.
شکل 6 : باکتریهای مغناطیسی
شکل 7 : صفحات مگنتیت بالای نوک کبوتر
جذب نور
نوع متدوالی از جلبک های تک سلولی دریایی از نانوساختارهای سیلیکا به قطر 5 الی 100 نانومتر در دیواره سلولی خود برخوردار است. این نانوذرات باعث تفرق شدید نور ورودی می شوند و به جلبک کمک می کنند از انرژی خورشید با بازده ی بیشتری استفاده کند
منابع:
کد:
[LEFT]1. ice.chem.wisc.edu/Nature/Nanoscience
2. Amanda S. Barnard, Nature's Nanostructures, CRC, 2012.
3. nualgiaquarium.com/nano-silica-diatoms/
4. B. Haibo Guo, Nature's nanostructures, Pan Stanford, 2012.
5. http://www.robaid.com/bionics/fireflies-enzymes-used-to-make-glowing-nanorods .htm/
6. J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006
7. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
8. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
9. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
10. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.[/LEFT]
[COLOR=#3C3D35][FONT=nassim][SIZE=4]
[/SIZE][/FONT][/COLOR]نویسنده: حسن سلیمی - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
