رفتارهای ویژه نانوساختارها در طبیعت دو ویژگی دارند: یکی اینکه اکثر آنها مدت‌ها از دید انسان‌ها پنهان مانده‌اند و زمانی شناخته شده‌اند که با دقت بالا مورد بررسی قرار گرفته‌اند. ویژگی دوم اینکه دارای جذابیت‌هایی بالا برای طراحی محصولات جدید باثبات و پایداری هستند که مشکلات عمومی نانوساختارهای سنتزی را ندارد. ساختار برخی از موجودات زنده همچون کرم‌های شبتاب، نرم‌تنان دریایی یا گونه‌هایی از قارچ‌ها، آنها را قادر می‌سازد که از خود نور تولید کنند. بعضی از گیاهان در ارتفاعات شامل نانوذراتی هستند که اشعه UV را جذب می‌کنند. ساختار زیستی برخی از موجودات زنده به گونه‌ایست که آنها را قادر به ردیابی مسیر براساس میدان مغناطیسی زمین می‌سازد. تابش نور، محافظت در برابر پرتوهای مخرب نوری، رفتار ضدباکتری و جهت‌نماهای مغناطیسی نانوساختار در طبیعت در این مقاله مرور شده است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-بیولومینسانس
2-عملکرد ضدآفتاب
3- تغییر رنگ
4- نانوذرات مغناطیسی
5- جذب نور
1-بیولومینسانس
بیولومینسانس تولید نور در سیستم‌های زنده است. بهترین نماد این پدیده نور کرم‌های شبتاب است. اما گونه‌های دیگری از تابش، شامل باکتری‌ها، قارچ‌ها و ارگانیسم‌های دریایی خاص مانند ستاره دریایی، کرم‌های دریایی، انواع ماهی مرکب دریاهای عمیق؛ میگوها و ماهی‌ها هستند. این نوع رنگ‌ها در دریا بیشتر تحقق می‌یابد. در حیوانات بیولومینسانس به عنوان راهی برای شکار، استتار، و در واقع راهی برای ارتباط از راه تابش است [1].
بیولومینسانس در شب‌تاب‌ها پدیده‌ای نانومتری است که نور سبز و زرد را در انتهای شکم آنها ایجاد می‌کند. این نور در سلول‌هایی ایجاد شده که ماده‌ای شیمیایی به نام لوسیفرین را در بردارند. لوسیفرین (ترکیب نور‌دهنده) با اکسیژن و آنزیمی به نام لوسیفراز واکنش می‌دهد و نور می‌سازند. این حشره قادر است شدت نور را با تغییر جریان و حجم هوایی که از مجاری تنفسی‌اش وارد سلول می‌شود، تغییر دهد. نور از تحریک الکترون‌ها با آنزیم شبتاب ایجاد می‌شود. وقتی الکترون‌ها از حالت برانگیحته خود به وضعیت عادی برمی‌گردند، نور تابیده می‌شود. بازده لامپ‌های خانگی 10 درصد است اما کرم شبتاب با بازده 100 درصد نور تولید می‌کند [1].
ماهی انگلر نیز از بیولومینسانس برای جذب شکار استفاده می‌کند. کروستاسیان‌ها و استراکادها هم با عنوان میگوهای دانه‌ای یا شب‌تاب‌های دریایی شناخته می‌شوند و آنها نیز از آنزیم برای تولید بیولومینسانس استفاده می‌کنند. بی‌مهره‌های دیگر مانند نوعی ستاره دریایی که “سیفونوفور” نامیده می‌شود، از نور بیولومینسانس ایجاد شده در مقیاس نانومتری بهره میبرد. این رنگ قرمز نیست چون نور قرمز زیر آب به راحتی قابل رؤیت نیست.
در سال‌های اخیر بیولومینسانس با استفاده از نانومیله‌ها و نزدیک کردن آنزیم لوسیفرین به آن، شبیه‌سازی شده است. از این طریق، با تنظیم هندسه نانومیله‌ها می‌توان رنگ‌های مختلفی از جمله سبز، نارنجی و قرمز را ایجاد کرد. نانومیله‌های مورد نظر از مواد نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند [10].
یکی از ساختارهایی که منجر به رنگ‌های بیولومینسانس می‌شود، 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 باکتری‌های ای.کولی و سی.الگانس ، تابش خود به خودی ایجاد می‌کند، که این در غیاب هر گونه کاتالیست آنزیمی است. GFP می‌تواند در هر ارگانیزم دیگری نیز ایجاد تابش کند.
رنگ‌های فلورسانس با دستکاری‌های پروتئینی، رنگ‌های آبی، صورتی و زرد نیز در کنار سبز زنده ایجاد کرده‌اند. پروتئین‌های خانواده GFP که از مرجان‌ها جدا شده بودند نیز پلیمرهای فلورسانس قرمز و نارنجی را ایجاد کردند [11].
2-عملکرد ضدآفتاب
در بین ترکیب‌های شیمیایی، عَرَق اسب‌های آبی به عنوان یک ماده ضدآفتاب، آب‌دوست و ضدباکتری شناخته می‌شود. در عرق این حیوان هیپوسودوریک اسید وجود دارد، که این عرق، نور را در محدود طول موج 200 تا 600 نانومتر جذب می‌کند و پوست حساس و نازک اسب آبی را مانند کرم ضدآفتاب حفاظت می‌کند [1].
اما خاصیت جذب UV مخصوص این ماده نیست و جاذب‌های UV در موجودات دریایی به همراه خاصیت ضدباکتری به وفور دیده می‌شود.
گیاه ادل ویز در کوه‌های آلپ در ارتفاعات 3000 متری یافت می‌شود. در این ارتفاع، نور ماوراءبنفش شدت بالاتری دارد. اما گیاه با لایه‌ای از فیلامنت‌های توخالی پوشیده شده است. خود این فیلامنت‌ها با نانوساختارهایی که اندازه آنها 100 تا 200 نانومتر است، پوشیده شده‌اند. این ابعاد تقریباً هم اندازه با طول موج نور UV است و نانوذرات گیاه را از تخریب در برابر این تابش منع می‌کند. این ساختار تقریباً همه نور مرئی را بازتاب می‌کند و رنگ سفید گل را روشن‌تر می‌کند [4].
3- تغییر رنگ
نرم‌تنان عموماً آفتاب‌پرست‌های دریایی نامیده می‌شوند. خانواده نرم‌تنان قابلیت تغییر رنگ دارند، اما این تغییر رنگ بسیار جذاب‌تر از تغییر رنگ در آفتاب‌پرست‌ها است. برخلاف سلول رنگزای آفتاب‌پرست، نرم‌تنان سلول‌هایی دارند که با پیام‌های محیطی تغییر رنگ می‌دهند. لایه‌های سلول‌ها روی هم به صورت صفحه صفحه قرار گرفته‌اند و از هم باز شدن این صفحات، به توانایی نرم‌تن در ایجاد طرح‌ها و رنگ‌های مختلف کمک می‌کند. معروف‌ترین این سلول‌ها کروماتوفورها هستند. مثلاً اختاپوس بابتیل هاوایی که از یک فرایند دو جزیی برای پنهان ماندن از شکار استفاده می‌کند، مکانیزمی برای تولید نور دارد که سلول‌های تولیدکننده نور لومینسانس را در مقیاس نانومتری تولید می‌کنند. اختاپوس دسته‌هایی از نانوصفحات دارد که از پروتئین‌های پشت بافت آن ساخته شده‌اند و برای انعکاس نور از داخل به کار می‌روند. زمانی که اختاپوس در بالای شکار است، نور از سایه انداختن بر روی شکار جلوگیری می‌کند و هنگامی که پایین‌تر از شکار قرار دارد مثل یک شبح است [1].
4- نانوذرات مغناطیسی
میدان مغناطیسی زمین مرجع مهمی برای مسیریابی در خیلی از ارگانیسم‌های زنده به خصوص پرندگان شناخته شده است. یکی از جذابیت‌های حیات، حضور و فایده نانومواد مغناطیسی است؛ شاید تا به حال کسی این را یادآور نشده است که زنبورها و کبوترها از یک قطب‌نمای مغناطیسی برای جهت‌یابی استفاده می‌کنند که ساختاری نانومتری دارد. همچنین باکتری‌هایی وجود دارند که دارای نانومواد مغناطیسی هستند.
تولید نانوذرات مغناطیسی توسط مگنتیک باکتری‌هاست که در محیط‌های آبی یافت می‌شوند. این باکتری‌ها کریستال‌های درون سلولی اکسیدآهن (مگنتیک) یا سولفیدهای معدنی آهن (اگرابیلیت) تولید می‌کنند که در یک غشاء دو لایه‌ای به نام مگنتوزوم است. مگنتوزوم‌ها به صورت زنجیره‌های نزدیک به هم درون سلول هستند و باعث جهت‌گیری و مهاجرت باکتری‌های مغناطیسی گرا در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین می‌شوند. این ذرات نانوذرات مغاطیسی Fe3O4 یا 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، گلوله‌ای شکل یا شش وجهی هستند [4].
قابلیت تشخیص میدان مغناطیسی در لاک‌پشت‌ها، خفاش‌ها و کبوترها هم دیده شده است. ذرات اکسید آهن در انتهای دندانه‌دار 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 است، اما بیشترین حالت، شکل صفحه‌ای از این ذرات است که ابعاد و حالت دقیقی دارند، که به آن “مگنتیت ” گفته می‌شود. این صفحات که در شکل نشان داده شده‌اند، در یک ساختار ویژه مرتب شده‌اند. هر صفحه مگنتیت طول و عرض یک میکرومتر و ضخامت 100 نانومتر دارد [4].
5- جذب نور
نوع متداولی از جلبک‌های تک سلولی دریایی، نانوساختارهای سیلیکا به قطر 5 الی 100 نانومتر در دیواره سلولی خود دارند. این نانوذرات باعث تفرق شدید نور ورودی می‌شوند و به جلبک کمک می‌کنند از انرژی خورشید با بازده بیشتری استفاده کند [3].
منابـــع و مراجــــع
۱ – ice.chem.wisc.edu/Nature/Nanoscience
۲ – Amanda S. Barnard, Nature’s Nanostructures, CRC, 2012.
۳ – nualgiaquarium.com/nano-silica-diatoms/
۴ – B. Haibo Guo, Nature’s nanostructures, Pan Stanford, 2012.
۵ – http://www.robaid.com/bionics/fireflies-enzymes-used-to-make-glowing-nanorods .htm/
۶ – J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006
۷ – A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
۸ – L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
۹ – NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
۱۰ – H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
۱۱ – Nature nanotechnology, Vol.2 No.7 July 2007, pg443.
