لیستی از خواص متناقض

استخوان

در مورد استخوان فکر کنید، خواص منحصربفرد این ماده در واقع لیستی از خواص متناقض است: استخوان صلب اما انعطاف پذیر، سبک وزن ولی مناسب برای حمایت از رشد بافت، از لحاظ مکانیکی قوی اما متخلخل می باشد. استخوان می تواند بدون شکسته شدن وزن تحمل کند. استحکام فشاری آن دو برابرر استحکام کششی آن است. این خواص جالب توجه نتیجه ای از ساختار و ترکیب سلسله مراتبی و پیچیده می باشد. در واقع مواد استخوانی از کامپوزیت کالوژن (عمدتاً کالوژن نوع یک) به همراه ذرات کلسیم فسفات (هیدروکسی آپاتیت) به عنوان تقویت کننده، تشکیل شده است.
از نقطه نظر مکانیکی، بسیاری از استخوان ها مانند سر استخوان لگن، می توانند به عنوان ساختارهای ساندویچی توصیف شوند که دارای یک پوسته ی خارجی متراکم و یک بخش داخلی اسفنجی شکل هستند. در استخوان اسفنجی، تنها حدود 20 % از حجم با استخوان پر شده است و بقیه از مغز استخوان می باشد. استخوان کورتیکال از فیبریل هایی تشکیل شده است که دارای نظم مشخص می باشند (شکل 1). فیبریل ها از آرایه هایی از مولکول های کالوژنی تشکیل شده اند که طولی برابر 300 نانومتر و ضخامتی برابر 1.5 نانومتر دارند. این بخش ها بوسیله ی استئوبلاست ها (سلول های خون ساز) و در فضای خارج سلولی رسوب دهی شده اند و به صورت فیبریل ها، خود آرایی کرده اند. مولکول های فیبریل کنار هم در جهت محوری و به صورت متناوب قرار دارد که قطر آنها در اینجا، 67 نانومتر است (شکل 2). این مسئله موجب می شود تا الگوی ویژه ای از نواحی شکاف دار با طول 35 نانومتر و نواحی هم پوشانی به طول 32 نانومتر در داخل فیبریل، ایجاد شود. فیبریل های کالوژنی با کریستال های معدنی بسیار ریز از هیدروکسی آپاتیت پوشش داده می شوند. این کریستال ها عمدتاً صفحات مسطحی هستند که به صورت موازی با هم قرار می گیرند. کریستال ها در فواصل طولی معین از فیبریل قرار می گیرند که این فاصله در واقع 67 نانومتر می باشد. در گونه ی پستانداران، کریستال های معدنی استخوان، دارای ضخامت 2 تا 4 نانومتر می باشد (شکل 3). به طور خلاصه، استخوان از یک زمینه ی نرم آلی (کالوژن) تشکیل شده است که این بخش نرم بوسیله ی اجزای غیر آلی و به صورت آنیزوتروپ، تقویت می شوند. این دو جزء ساختاری سلسله مراتبی دارند که در سطح نانومتری سازمان دهی شده است. این سازماندهی در سطح نانومتری است که به استخوان اجازه می دهد تا در برابر میکروترک ها، متفاوت کند. این میکروترک ها ممکن است در حین فعالیت های نرمال و یا در حین بیماری های خاص، در استخوان تشکیل شود. در حقیقت این میکروترک ها، گسترش نمی یابند و منجر به شکسته شدن استخوان نخواهند شد. هیدروکسی آپاتیت یک ماده ی صلب است که قابلیت پراکنده سازی انرژی زیادی را ندارد، بنابراین، این اعتقاد وجود دارد که کولاژن نقش اصلی را در خواص ساختاری استخوان بر عهده دارد. شکل 4 نشاندهنده ی نقش کولاژن در طی تشکیل استخوان می باشد. استخوان های قدیمی تر که مواد معدنی آن ها بیشتر است، سفت ترند و به سهولت بیشتری می شکنند. گیاه نیلوفر آبی (Nelumbo nucifera) یک گیاه بومی آسیا می باشد که دارای خواص منحصربفردی می باشد. برگ این گیاه قادر است تا تمیز نگه داشته شود، حتی اگر زیستگاه طبیعی آن گل آلود باشد. به همین دلیل این گیاه در برخی فرهنگ ها، مقدس شناخته می شود و علامتی از خلوص می باشد. برگ این گیاه آب را دفع می کند زیرا ابر آب گریز است (شکل 5). نتیجه اینکه قطرات آب از روی برگ ها سر خورده و کثیفی را از روی برگ ها خارج می کنند. همین اثر در برگ سایر گیاهان مانند گل لادن (Tropaeolum) و برخی از گل های دیگر مانند گل اختر و حتی در برخی از حیوانات مانند ستاره ی آبی نیز یافت می شود. خواص سطحی برگ نیلوفر آبی ابتدا بوسیله ی Wilhelm Barthlott در سال 1997 مورد بررسی قرار گرفت. او یک مقاله مهم در مورد این مسئله به چاپ رساند و اسم مقاله را "اثر نیلوفر آبی" گذاشت. این اثر در واقع خاصیت خود تمیزشوندگی برگ های نیلوفر آبی بود. در مقاله ی اصلی، این فرد نشان داد که خواص خود تمیز شوندگی برگ نیلوفر آبی، بوسیله ی ترکیبی از ریزساختار برگ ها و سلول های اپیدرمالی ایجاد شده است که در سطح آنها وجود دارند. این بخش های با کریستال های واکس پوشیده شده اند (شکل 6). این کریستال ها لایه ای دافع آب ایجاد می کند که موجب بهبود زبری سطح می شوند. این مسئله موجب می شود تا سطحی ابر آب گریز ایجاد شود و زاویه ی تماس آب بر روی آنها، 150 درجه باشد. نتیجه اینکه، قطرات آب بر روی سطح، به جای اینکه پخش شوند، تمایل دارند تا زاویه ی تماس خود و سطح را مینیمم کنند. این مسئله موجب می شود تا قطرات آب کروی بر روی سطح این برگ ها ایجاد شود. شکل 6 نشاندهنده ی بزرگنمایی برگ لادن می باشد که در آن، نانوکریستال هایی با اندازه ی چند ده نانومتری قابل مشاهده می باشد. نتیجه این است که قطره های آب از سطح برگ می گذرند و با این کار، کثیفی از روی برگ ها از بین می رود (شکل 7). این اثر موجب می شود تا برگ نیلوفر آبی تمیز شود و در برابر کثیفی، مقاومت کند. آلودگی های موجود در سطح در زمانی که یک قطره ی آب از سطح عبور می کند، گرفته می شوند و از روی برگ، خارج می شوند (شکل 8).

مارمولک

یک مارمولک می تواند از هر سطحی و در هر جهتی بالا رود. مارمولک می تواند بر روی سطح صیقلی و زبر حرکت کند و حتی از سطح شیشه ای نیز پایین بیاید. همچنین می تواند بر روی سطوح کثیف و تمیز حرکت کند و تماس کامل با سطح داشته باشد و بدان بچسبد. وقتی مارمولک حرکت می کند، هیچ ماده ی چسبنده ای از خود ترشح نمی کند و پاهایش هیچ ویژگی مکشی نیز ندارند. دلیل این ویژگی جالب توجه مارمولک ها، نانوساختارهایی است که در پای او وجود دارد.
دست و پای مارمولک یک سری شیارهای کوچک دارد که scansors نامیده می شوند. این بخش ها شامل طرح های متعددی است که setae نامیده می شود. هر setae 100 میکرون طول دارد و قطری برابر 5 میکرون. نیم میلیون از این setae ها بر روی یک پا یا دست مارمولک وجود دارد. هر بخش به هزار بخش 200 نانومتری تقسیم می شود که spatulae نامیده می شوند (شکل 9). به عنوان نتیجه، مساحت سطح کل پای مارمولک بسیار بالاست. Spatulae مارمولک بسیار انعطاف پذیر است بنابراین، ضرورتاً قالب هر چیزی را که بر روی آن قرار می گیرند، به خود می گیرند. نتیجه، ایجاد یک چسبندگی قوی است که کلاً از نیروهای واندروالسی ایجاد می شود. یک seta منفرد می تواند 200 میکرونیوتن نیرو تحمل کند. بنابراین، مارمولک یک مثال خوب از اثر مساحت سطح بزرگ بر روی نیروهای کوچک می باشد. خاصیت جالب توجه دیگر مارمولک، این است که پای مارمولک وقتی او راه می رود، کثیف نمی شود. این مسئله حتی در شرایطی ایجاد می شود که آنها بر روی سطوح پوشیده از ماسه، کثیفی، آب و ... حرکت می کنند. پا و دست آنها خشک می ماند و بدین صورت چسبندگی کامل حفظ می شود. این پدیده مورد بررسی قرار گرفته است و فهمیده شده است که پاهای این موجود به خاطر این تمیز می ماند که از لحاظ انرژی برای ذرات، رسوب دهی بر روی سطح مطوب تر از چسبیدن به پای مارمولک است. اگر مارمولک بر روی یک سطح کثیف حرکت کند، پاهای او در برابر کثیفی، محافظت می شود.

پروانه ی Morpho rhetenor

بال های پروانه ها اغلب رنگ های جالب توجهی دارند. این رنگ ها در حقیقت برهمکنش میان سطح و نور می باشد. این بال ها همچنین مانند رنگین کمان، هفت رنگ هستند. در حقیقت شیفت رنگ در این اجسام در زمانی رخ می دهد که این برگ ها در زوایای مختلف مشاهده شوند. این اثر به سهولت بر روی CD ها هم قابل مشاهده می باشد.
نمایش رنگین کمانی (Iridescence) یک رنگ فیزیکی است و از برهمکنش میان نور با ساختار فیزیکی سطح ایجاد می شود. برای ایجاد برهمکنش با نور، این ساختارها باید نانوسایز باشند (طیف نور مرئی مربوطه بین طول موج های 380 تا 750 نانومتر می باشد). برهمکنش نور با این سطح زیر نانومتری، می تواند منجر به تداخل های سازنده و مخرب شود. رنگ، شدت و زاویه ی رنگین کمان، به ضخامت، اندیس شکست زیرلایه و زاویه و فرکانش برخورد نور وابسته می باشد.
در بسیاری از مواد مانند مواد اپال، تابش رنگین کمانی طبیعی به دلیل وجود کره های سیلیسی با اندازه ی نانومتری، ایجاد می شود. این کره ها در لایه های سطحی و با الگوی مشخص، آرایش می یابند. این مسئله شرایط مناسبی برای تداخل ایجاد می کند.
در مورد پروانه ها و بیدها، رنگین کمان به یک شیوه ی عجیب و غریب ایجاد می شود. محققین سطح بال پروانه ی Morpho rhetenor را مورد مطالعه قرار دادند و فهمیدند که این ساختار از سطرهایی از قطعات کوچک تشکیل شده اند که مانند کاشی پشت بام می باشد. این بخش های کاشی مانند scale نامیده می شوند. هر scale اندازه ای در حدود 70 تا 200 میکرون دارد و دارای ساختارهای کوچکتری بر روی سطح خود می باشد. این بخش ها، از لبه های نانومتری منظمی تشکیل شده اند. هر لبه در حدود 800 میکرون عرض دارد. فضای بین این بخش ها موجب تشکیل کریستال های فوتونی طبیعی می شود که می تواند تداخل های سازنده و غیر سازنده، ایجاد کنند. تجزیه و تحلیل سطح مقطع این لبه ها با SEM، انجام شده است و فهمیده شده است که این ساختارها شبیه درخت صنوبر می باشند (شکل 10). این بخش ها که setae نامیده می شوند، در حدود 400 نانومتر طول دارند و مسئول ایجاد برهمکنش های تداخلی در طول موج های آبی هستند. این تداخل موجب تولید رنگ های آبی پر رنگ می شود (شکل 11).

منبع مقاله :
Nanotechnologies Principle, Application and Implication and Hands- on activities / Matteo Bonazzi