استفاده کردن از دانش سیستم‌های زنده موجود در طبیعت، یکی از راهکارهای حل مسائل فنی زندگی بشری و ارتقای سطح تکنولوژی است. گاهی نانوساختارهای طبیعی الهام‌بخش ساخت نانومواد در آزمایشگاه‌ها از روش‌هایی ابداعی هستند و گاهی این نانوساختارها مستقیماً از منشأ زیستی کپی‌برداری شده‌اند. روش‌های تولید نانوساختارهای موجود در طبیعت، تا به حال فنون ویژه‌ای را شامل شده است. در این مقاله سعی شده الگوبرداری از این سیستم‌ها و روش‌های تولید و پیاده‌سازی شرح داده شود.
طبیعت، سازه‌های پیچیده ساختاری را به طور ویژه‌ای ایجاد می‌کند، این سازه‌ها ابعاد خاصی دارند که چندین مقیاس ابعادی را در ساده‌ترین شرایط محیطی و با منابع محدود ایجاد کنند. امروز محققان قادرند ساختارهای نانومتری را زیر میکروسکوپ‌ها مشاهده یا بازسازی کنند، اما هرگز به قدرت طبیعی در تولید آن‌ها نمی رسند [2].
میلیون‌ها سال قبل از آن که محققان مواد الگوبرداری شده از طبیعت را مهندسی کنند، سیستم‌های زنده از معماری‌های نانومتری استفاده می‌کردند تا قابلیت‌های ویژه‌ای را به وجود آورند. امروزه تلاش‌های زیادی در جهت تقلید سیستم‌های زنده برای محقق ساختن دسته‌های زیادی از فناوری‌ها انجام می‌شود. مواد هوشمند پیشرفته‌ای مانند سطوح فوق آب‌گریز برگ‌های لوتوس در حال حاضر بازسازی و توسعه داده شده‌اند [2].
قابلیت طبیعت در تولید معماری‌های پیچیده ساختاری با ابعاد هندسی متنوع در شرایطی محیطی به مراتب ساده و با منابع محدود، هنوز توسط انسان محقق نشده است. تحقیقات روی مواد زیستی، مشکلات تکنولوژیکی را مورد خطاب قرار می‌دهد، یا دانش مربوط به یک ساختار زنده با یک قابلیت ویژه را دنبال می‌کند. تقلید از طبیعت به تجربه شیمیدان‌ها، زیست‌شناسان، فیزیکدان‌ها، دانشمندان مواد و مهندسان تکیه کرده تا رمز مکانیزم‌ها و اصول طراحی در طبیعت را باز کند [2].
طبیعت ساختارهای ریز خود را بر اساس خودآرایی می‌سازد. برای مواد زیستی، فرایندهای خودآرایی در سیستم‌های زنده به عنوان اهرمی برای ساخت مواد پیشرفته هستند. این رویکردهای پایین به بالای خودآرایی از تکنیک‌های مبتنی بر شیمی استفاده می‌کنند تا مواد تلفیقی را تولید کنند [2].
در الگوبرداری زیستی سیستم‌های طبیعی مانند داربست استفاده می‌شوند تا ویژگی‌های ساختاری پیچیده و عملکردهای ویژه آن‌ها را بتوان تلفیق کرد. الگوبرداری زیستی، با تکثیر یک ساختار ویژه یا استخراج اصول طراحی نهفته در ساختارهای طبیعی به دست می‌آید. با استفاده از الگوهایی مانند مولکول‌های آلی، توده‌های سوپرمولکولی، کلوییدها، نانوذرات و چیدمان آن‌ها، مواد الگوبرداری شده زیستی می‌توانند با ساختارهایی با تکنولوژی پیشرفته در ابعاد طولی نانومتری ساخته شوند. یک راه، کپی‌برداری مستقیم است. از نانوساختار به عنوان “الگو” یا “تمپلیت” استفاده می‌شود و با چاپ، ریخته‌گری، قالب‌گیری، نفوذ گاز، پوشش‌دهی، و تکنیک‌های متعدد دیگر الگوبرداری انجام می‌شود. این مواد حفره‌های منظم، مکان‌های فعال و ویژگی‌های جذاب با مزایای زیادی برای کاربرد در کاتالیست‌ها، دارورسانی، فوتونیک و الکترونیک مولکولی دارند [2].
در الگوبرداری واژه‌هایی مانند مُهرهای توخالی (hollow) و جامد، معکوس، صحیح، منفی، و مثبت معمولاً استفاده می‌شوند تا ویژگی‌های ساختاری نمونه‌های الگوبرداری شده را توضیح دهند [2].
واژه بیوتمپلیتینگ (الگوبرداری زیستی) را در مواردی استفاده می‌کنیم که ویژگی‌های سطحی و هندسی یک ساختار معین (یک الگو یا تمپلیت) را به یک ماده دیگر جابه‌جا می‌کنیم. در بیوتمپلیتینگ پایه محلولی، پیش‌ماده مایع برای پوشش‌دهی سطح یک تمپلیت یا پُر کردن فضای حفره‌ای اطراف یک ساختار تمپلیت استفاده می‌شود. بعد از سخت شدن پیش‌ماده برای تشکیل یک ماده باثبات، الگوی اطراف به طور دلخواه برداشته می‌شود و یک ساختار باثبات و یکپارچه، که همه ویژگی‌های ساختاری الگوی اولیه را دارد، به جا می‌گذارد. ساختار نهایی یک مهر (رپلیکا) زیستی است [2].
یک مهر یا رپلیکا توخالی، کپی پوسته‌ای شکلی از ساختار اصلی است و با لایه‌نشانی یک پوشش نازک حول تمپلیت زیستی و در ادامه برداشتن تمپلیت به دست می‌آید. یک مهر جامد، یک کپی مثبت یا منفی طرح اولیه است که از یک چارچوب کاملاً پر تشکیل شده است. مهرهای جامد با پر کردن فضای خالی حول یک الگو با یک ماده جدید و برداشتن ساختار اولیه به دست می‌آیند [2].
یک مهر منفی، یک کپی معکوس از الگوی اصلی زیستی است؛ یعنی ساختار اصلی به ترکیب جدیدی تبدیل می‌شود که هوا تشکیل‌دهنده آن است. یک مهر مثبت، یک کپی دقیق (همان شکل) از الگوی زیستی اولیه است. به غیر از جنس متفاوت، مهر و الگوی اصلی مثل هم هستند. یک مهر مثبت می‌تواند به سادگی با تکرار دو مهر منفی به دست بیاید. یک مهر منفی از مهر منفی (مهر مثبت) با ساختن یک مهر منفی از الگوی اصلی و استفاده از این ساختار به عنوان یک الگوی جدید ساخته می‌شود [2].
بسته به خواص ساختاری، این کار می‌تواند با چاپ، ریخته‌گری، قالب‌گیری، نفوذ گاز، پوشش و تکنیک‌های متعدد دیگر انجام شود. قالب‌گیری و چاپ راه‌های سریع و قدرتمندی برای انتقال ویژگی‌های سطوح دو بعدی به مهرهای پلیمری و سرامیکی هستند. برای مثال با استفاده از این رویکرد می‌توان ساختار پیچیده سطحی برگ‌های لوتوس و سایر گیاهان، و چشم‌های حشرات را کپی‌برداری کرد. از همه مهم‌تر، نمونه‌های کپی شده نه تنها ساختار سطحی این الگوها را انتقال می‌دهند بلکه خواص مطلوبی مانند فوق آب‌گریزی و ضدانعکاس بودن را هم از خود نشان می‌دهند [2].
انتقال چارچوب‌های سه بعدی پیچیده‌تر مانند آن‌هایی که در بال‌های پروانه، پرهای پرندگان و نمونه‌های چوبی یافت می‌شوند، به تکنیک‌های نفوذ و پوشش نیاز دارند. برای پوشش‌دهی، فضای خالی درون یک ساختار زیستی معین با یک پیش‌ماده پر می‌شود و فرایندهای شیمیایی و فیزیکی برای تبدیل این پیش‌ماده به یک ترکیب جامد که الگوی زیستی را دربر گرفته است، اجرا می‌شود. در گام نهایی الگوی زیستی با حکاکی یا پیرولیز (سوزاندن) برداشته می‌شود و ماده‌ای را با همان ویژگی‌های ساختاری اولیه الگوی زیستی به جا می‌گذارد که البته کلیت آن از ماده متفاوتی شکل گرفته است [2].
در حالت عمومی فرایندهای الگوسازی زیستی بر پایه پُر کردن و پوشش می‌تواند به روش لایه‌نشانی تبخیر دما پایین و روش‌های پایه محلولی تفکیک شود. در روش‌های اول، لایه‌نشانی لایه اتمی و لایه‌نشانی بخار فیزیکی به طور خاص مناسب الگوبرداری زیستی هستند. ویژگی معمول این روش‌ها استفاده از پیش‌ماده‌های بخار یا گاز در گام پر کردن است. این پیش‌ماده‌ها در ادامه با یک مکانیزم رشد اتم به اتم، گام به گام به یک پوشش جامد روی سطح الگوی زیستی تبدیل می‌شوند. روش‌های پر کردن بر پایه لایه‌نشانی یا تبخیر به طور عمده برای تولید ساختارهای مهر پوسته‌ای شکل به کار می‌روند. در مقابل روش‌های پرکردن بر پایه محلول، از پیش‌ماده‌های مایع استفاده می‌کنند و به طور کلی کپی‌های منفی جامدی را از الگوی زیستی اصلی ایجاد می‌کنند. در این روش‌ها محلول پیش‌ماده اولیه با نیروهای مویینگی به فضای حفره‌های بین الگو نفوذ می‌کند. بعد از تبخیر حلال، گونه‌های پیش‌ماده بسته به نوع پیش‌ماده و شرایط واکنش، از طریق مسیرهای شیمیایی مختلف به یک شبکه جامد تبدیل می‌شوند. پرکاربردترین روش‌های الگوبرداری زیستی پایه محلولی روش شیمیایی سل-ژل است که از پیش‌ماده‌های مولکولی استفاده می‌کند و نانوذرات کلوییدی هستند [2].
جدا از تولید مهرهای زیستی با ویژگی‌های ساختاری متفاوت (شبیه به پوسته و چارچوب‌های جامد)، روش‌های پرسازی بر پایه محلول و لایه‌نشانی تبخیری در تجهیزات، شرایط فرایندی و دسترسی با هم تفاوت‌هایی دارند. برای مثال روش‌های شیمیایی سل-ژل تنها به چند پیش‌ماده ارزان قیمت و حلال، یک میز آزمایشگاه شیمی و یک کوره نیاز دارند. در مقابل لایه‌نشانی لایه اتمی یا روش‌های فیلم تبخیر شده همدیس با چرخش به ابزارهای گران‌قیمت، گاز و خطوط خلأ، و کاربران بسیار مجرب و متخصص نیازمند است. اما از سویی دقت و قابلیت بازتولید نمونه‌های الگوهای زیستی به دست آمده با روش‌های لایه‌نشانی تبخیری استثنایی هستند و مزیت بیشتری نسبت به اغلب تکنیک‌های پایه محلولی دارند. برای مثال با استفاده از لایه‌نشانی لایه اتمی، درجه نفوذ و از این‌رو ضخامت پوسته مهر غیرآلی می‌تواند در مقیاس یک لایه اتمی کنترل شود. این کنترل قابل پیش‌بینی ضخامت پوسته، می‌تواند برای ایجاد مهرهایی با خواص نوری دقیق استفاده شود. این خروجی برای ساختار فوتونیک فلس بال‌های پروانه که با اکسید آلومینیوم الگوبرداری شده است را در شکل 2 مشاهده می‌کنید. با کنترل دقیق ضخامت لایه اکسید آلومینیوم (آلومینا) رنگ انعکاسی نمونه‌های مهر را از سبز به زرد، صورتی و بنفش تغییر داده‌اند (رنگ اصلی بال پروانه آبی است) [2].
برخلاف روش‌های استفاده شده، الزامات کلیدی محدودی وجود دارد که باید برای تشخیص مناسب بودن یک ساختار برای الگوبرداری زیستی برآورده شوند: (1) الگوبرداری همزمان همه ابعاد ریز و درشت، (2) حفظ هندسه چارچوب و پارامترهای شبکه و (3) پرهیز از تشکیل ترک، خرابی ساختاری و از دست دادن ویژگی‌های بلندبرد ساختاری [2].
الزام اول الگوبرداری همزمان اشکال کوچک و بزرگ، اهمیت بالایی در الگوبرداری زیستی دارد زیرا یک مفهوم جذاب بسیاری از ساختارهای زیستی، ساختار سلسله‌مراتبی و ویژگی‌های ابعادی آن‌هاست که اغلب چند سطح از سطوح ابعادی را در بر گرفته‌اند. به طور ویژه در روش‌های پایه محلولی این حفظ شکل‌های ریز اغلب مشکل‌آفرین است چون کشش سطحی می‌تواند ساختارهای نانومتری را به سادگی صاف کند. افزون بر این ویژگی‌های ریز هم می‌تواند در زمان برداشت دمای بالای الگوی زیستی (سوزاندن) یا با حکاکی شدید از بین برود [2].
الزام دوم حفظ هندسه چارچوب و پارامترهای شبکه برای الگوبرداری ساختار با چارچوب‌های بلندبرد منظم، در رنگ‌های ساختاری اهمیت بالایی دارند. در این مواد خواص نوری نتیجه مستقیم هندسه چارچوب و پارامترهای شبکه آن هستند. در واقع حتی تفاوت‌های ساختاری بسیار کوچک در حد چند درصد می‌تواند تغییرات عمده‌ای را در رنگ و ویژگی‌های نوری دیگر منجر شود. برای جلوگیری از تغییرات غیرکنترل شده این خواص در این نوع ساختار زیستی، ضروری است که انحراف‌های ساختاری مانند جمع‌شدگی چارچوب یا تورم را به حداقل برسانیم [2].
خواص رنگ‌های ساختاری به نقص‌ها و از دست دادن نظم بلندبرد نیز بسیار حساس است. تشکیل ترک‌ها و خرابی موضعی چارچوب در زمان پر کردن یا برداشتن الگو می‌تواند کیفیت نوری ساختار الگوبرداری شده را به شدت از بین برده و منجر به از دست رفتن شدت و خلوص نور انعکاس داده شده شود [2].
برای رفع این تخریب ساختاری و از دست رفتن ویژگی‌های ظریف نمونه‌های الگوبرداری شده، تنظیم دقیق فرایند الگوبرداری زیستی ضروری است [2].
ویژگی‌های معمول روش‌های پایه محلولی، سادگی آن‌ها است؛ هر چند که آن‌ها به طور عام در دقت مقیاس اتمی ساختار الگوبرداری شده در مقایسه با روش‌های تبخیر و لایه‌نشانی ضعف دارند، اما سرعت آن، ارزان بودن و قابلیت اعمال در سطح بالا، این ضعف را جبران کرده است. در حالی که دقت مقیاس اتمی و قابلیت بازتولید در ابزارهای الکترونیکی و نیمه‌رسانا اهمیت بالایی دارند، برای بیشتر کاربردهایی که ساختارهای سطحی الگوبرداری شده زیستی و چارچوب‌های سه بعدی مطلوب هستند، دقت و قابلیت بازتولید به دست آمده با روش‌های الگوبرداری پایه محلول کفایت می‌کند. این کاربردها شامل حوزه‌هایی از نور و الکترونیک نوری، کاتالیست، جداسازی و جذب، یا به عنوان داربست‌هایی در الکترود باتری‌ها، جذب انرژی و مهندسی بافت است. افزون بر این روش‌های پایه محلول به ساختارهای قابل دسترس متنوعی از مهرهای توخالی تا الگوهای جامد الگوی اصلی با یک چارچوب منفی یا مثبت (مهر اصل)، بسط پیدا کرده‌اند [2].
فرایند الگوبرداری محلولی هزاران سال است که شناخته شده و برای الگوبرداری از خیلی از ساختارهای مصنوعی و طبیعی با ابعادی که از نانومتر تا چندین متر تغییر می‌کند، مورد استفاده قرار گرفته است [2].
در تکنیک‌های الگوبرداری بر پایه محلول از ساختارهای زیستی مثل چوب، استخوان، فلس حشرات، پرها و حیوانات دریایی به عنوان الگوی اولیه استفاده کرده‌اند. انگیزه استفاده از الگوهای زیستی، تنوع گسترده‌ای از ساختارهای پیچیده است که در طبیعت یافت می‌شوند. برخی از این ساختارها، مانند سلسله‌مراتب پیچیده آغازیان و اسفنج‌های دریایی یا شبکه‌های کریستال‌های فوتونیک سه بعدی بال‌های خاص پروانه و فلس‌های شپش‌ها، در دامنه قابلیت‌های سنتزی ما وجود دارد. بنابراین این مواد پیچیده می‌توانند به سبد ساختارهای مصنوعی موجود ما خواص جذابی را اضافه کنند [2].
مشکل اصلی در استفاده از الگوبرداری این است که برخلاف شبکه‌های تولید شده مصنوعی که به راحتی قابل دسترس هستند، آن‌ها در بیشتر موارد خودشان را نگه نمی‌دارند. این اشکال به مراحل پیش پرسازی اولیه مانند برداشتن اجزای مطلوب از ارگانیسم با ترک دادن، صاف کردن، یا بریدن برای فراهم کردن دسترسی به چارچوب‌های ساختاری محبوس نیاز دارد. افزون بر این، بسیاری از ساختارهای زیستی لایه‌های محافظ نازکی روی سطح خود دارند. اغلب این لایه‌ها از مولکول‌های واکسی و آب‌گریز برای ممانعت از تَرشدن سطح با آب و یا وارد شدن آب به فضای داخلی حفره‌های ساختار تشکیل شده‌اند. چون الگوبرداری زیستی بر پایه محلولی اغلب از حلال‌های آب‌دوست مانند آب و الکل استفاده می‌کند و پر کردن فضاهای داخلی حفره‌ها بر اساس نیروهای مویینگی است، این لایه‌های محافظ باید با عملیات شیمیایی با حلال‌های آلی یا اسیدها برداشته شوند. زمانی که این گام‌های پیش‌فرایندی کامل شد و ساختار زیستی مطلوب قابل دسترس بود، یک الگوی زیستی معین آماده پر شدن با یک محلول حاوی پیش‌ماده است [2].
در اصل هر روشی که برای کپی‌برداری الگوهای مصنوعی استفاده شده است، می‌تواند برای ساختارهای زیستی استفاده شود. این روش‌ها شامل سُل‌های نانوذرات کلوییدی، ریخته‌گری نمک‌های مذاب یا فوق‌اشباع، الکتروشیمی، تکنیک‌های پلیمریزاسیون نمونه مونومرهای آلی و شیمی سل-ژل مولکولی هستند [2].
سُل، نانوذرات کلوییدی معمول در محلول‌های یا سوسپانسیون‌های آبی یا الکلی است که از نانوذرات اکسیدی با اندازه‌هایی در محدوده چند نانومتر تا ده‌ها نانومتر تشکیل شده است. یکی از پارامترهای مهم این تکنیک فشردگی سل نانوذرات است. از یک سو این فشردگی می‌بایست به قدری بالا باشد که بتواند یک چارچوب جامد فشرده را بعد از تبخیر حلال ایجاد کند، که هر چه فشردگی نانوذرات کمتر شود تخلخل نانومتری بیشتر خواهد بود. از سوی دیگر فشردگی بالای نانوذرات می‌تواند تعاملات ذرات با ذرات را بالا ببرد و به افزایش ویسکوزیته محلول منجر شود. چون نیروهای مویینگی روی پرشدگی الگو تأثیرگذار هستند، افزایش ویسکوزیته محلول می‌تواند به طور چشم‌گیری درجه پرشدگی را کاهش دهد که به کیفیت پایین مهر منجر می‌شود. فشردگی بهینه نانوذرات به نوع ذره و شیمی سطح آن ارتباط دارد اما مقادیر معمول در محدوده میکرو تا میلیمتر قرار دارند. بعد از پر کردن و تبخیر حلال، نانوذرات یک شبکه متصل به هم ضعیف را با تعامل گروه‌های هیدروکسیل سطحی ایجاد می‌کنند. این شبکه می‌تواند باز هم متراکم‌تر و با عملیات حرارتی سخت شود و یک ساختار باثبات بر پایه نانوذرات را ایجاد کند که با پیوندهای اکسیدی بین ذره‌ای به هم متصل شده‌اند [2].
رویکرد متفاوت دیگر برای خلق الگوهای غیرآلی، پر کردن ساختارهای الگو با محلول‌های نمکی مذاب یا فوق‌اشباع است. برای مثال محلول‌های فوق‌اشباع نمک‌هایی چون کلرید سدیم در آب، برای پر کردن الگوهای پلیمری استفاده می‌شوند. بعد از تبخیر حلال، به جای ماندن ماده حل‌شده، و برداشت حرارتی الگو، یک الگوی معکوس از ساختار اصلی شامل نمک سنگی به دست می‌آید. به طور مشابه قند نیشکر (ساکاروز) می‌تواند به ساختار آغازیان نفوذ کند، این ساکاروز در ادامه کربنیزه می‌شود و بعد از انحلال آغازیان، یک الگوی معکوس به دست می‌آید [2].
لایه‌نشانی الکتروشیمیایی، روش جالبی برای الگوبرداری از ساختار الگوی شبکه باز به فلزات است. نفوذ فلز با یک دستگاه سلول الکتروشیمیایی مرسوم به دست می‌آید که الکترود الگو در یک محلول الکترولیت حاوی نمک فلز مطلوب فرو می‌رود و کنار آن یک الکترود مخالف و مرجع قرار می‌گیرد. با این حال این تکنیک به سختی روی الگوهای زیستی قابل پیاده‌سازی است؛ چون به الگویی نیاز دارد که روی یک الکترود هادی بنشیند یا شکل بگیرد. این روش با موفقیت برای الگوهای اپل اعمال شده است. مزیت این روش این است که لایه‌نشانی فلز در سطح هدایت‌کننده شروع می‌شود و هر چه زمان لایه‌نشانی بیشتر می‌شود، به مرور و در یک جهت فضای حفره الگو را پر می‌کند. با کنترل زمان لایه‌نشانی و جریان اعمال شده در زمان فرایند لایه‌نشانی، این امکان وجود دارد که به طور دقیق درجه پرکردن فلزات درون الگو تعیین شود [2].
گزینه دیگر برای خلق مهرهای غیرآلی، پر کردن الگو با یک مونومر آلی یا محلول‌های پیش‌پلیمری است؛ در حضور ترکیبات آغازکننده پلیمریزاسیون، نمونه‌های پیش‌ماده در معرض نور ماوراءبنفش UV یا حرارت، شروع به شبکه‌سازی می‌کنند و یک الگوی منفی پلیمری را از ساختار اولیه می‌سازند. پلیمرهای معمول که با این روش استفاده شده‌اند پرفلوئورو پلی اتر (PFPE)، پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS)، پلی متیل متاکریلات (PMMA) و رزین‌های اپوکسی بوده‌اند. این تکنیک به طور وسیعی در قالب‌گیری الگو استفاده شده است که یک روش چاپ نرم برای الگوبرداری از ساختارهای دوبعدی مانند برجستگی‌های سطح برگ‌ها، بال‌ها و چشم‌ها است [2].
