Co jsou nanotechnologie a kde se s nimi v přírodě setkáme

Lidstvo je na svoje vynálezy pyšné. Sebevědomě mluvíme o době nanotechnologií, jako bychom je objevili teprve my. Pravda je ale méně lichotivá: příroda manipuluje s atomy a staví materiály v měřítku miliardtin metru už stovky milionů let — a dělá to elegantněji, úsporněji a často i pevněji, než to dnes svedou ty nejlepší laboratoře světa. Když chcete pochopit, co jsou nanotechnologie a kde se s nimi v přírodě setkáme, nemusíte sahat po mikroskopu hned. Stačí se podívat na list lotosu po dešti, na duhové křídlo motýla nebo na gekona, který běží hlavou dolů po skle. To všechno jsou nanotechnologie — jen je nepatentoval žádný člověk.

Shrnutí pro ty, co nemají čas číst celý článek

• Nanotechnologie = práce s hmotou v měřítku 1–100 nanometrů. Jeden nanometr je miliardtina metru — zhruba stotisícina tloušťky lidského vlasu.
• Příroda byla první nanotechnolog. Lotos, gekon, motýl, pavouk i perleť řeší své úkoly pomocí nanostruktur, které vznikly evolucí.
• Biomimetika je obor, který přírodní nanostruktury studuje a napodobuje — od samočisticích fasád přes superlepidla až po nové materiály.
• Lotosový efekt dal vzniknout hydrofobním (vodu odpuzujícím) a samočisticím povrchům, které dnes chrání sklo, auta i textil.
• Nanovlákna jsou ukázkou, že i člověk umí přírodu dohnat — tvoří membránu, která propustí vzduch, ale zastaví roztoče a alergeny.

Co vlastně znamená „nano"?

Předpona „nano" pochází z řeckého nános — trpaslík. A je to trefné. Jeden nanometr je jedna miliardtina metru. Abyste si tu nepředstavitelnou malost dokázali představit: kdyby byl jeden nanometr velký jako kulička, byla by lidská hlava velká jako celá planeta Země. Nanotechnologie je soustava metod, které umožňují manipulovat s atomy, molekulami nebo jejich malými skupinami a vytvářet tak materiály a objekty s vlastnostmi, jaké hmota v běžném měřítku nemá. Pracuje se obvykle v rozmezí 1 až 100 nanometrů.

A právě tady je háček, který lidi často překvapí: v tomto měřítku přestávají platit naše každodenní zkušenosti. Materiál, který je jinak křehký, může být náhle pružný. Povrch, který by měl být smáčivý, vodu doslova odhazuje. Barva nevzniká z pigmentu, ale ze způsobu, jakým se světlo láme na neviditelných strukturách. Příroda tyhle triky ovládá dokonale — a my se od ní teprve učíme. Pokud vás zajímá, jak nanovlákna vznikají a co všechno dokážou, přečtěte si náš samostatný článek Co je nanovlákno?

Biomimetika: nanotechnologie okoukané od přírody

Obor, který zkoumá přírodní řešení a převádí je do techniky, se jmenuje biomimetika (z řeckého bios — život a mimesis — napodobení). Není to žádná novodobá kuriozita. Leonardo da Vinci kreslil létací stroje podle ptačích křídel a suchý zip vznikl proto, že švýcarského inženýra Georgese de Mestrala omrzelo vyndávat z psí srsti lopuchové bodláky. Když si je prohlédl pod lupou, objevil drobné háčky — a měl patent.

Moderní biomimetika jde ale mnohem hlouběji, až na úroveň jednotlivých molekul a nanostruktur. Vědci dnes nekopírují tvar křídla, ale způsob, jakým je na jeho povrchu uspořádaný chitin v měřítku stovek nanometrů. Příroda totiž neměla k dispozici drahé suroviny ani vysoké teploty. Musela vystačit s tím, co bylo po ruce — vodou, vápníkem, bílkovinami — a přesto vytvořila materiály, které dodnes nedokážeme plnohodnotně napodobit. To je důvod, proč zůstává největším učitelem nanotechnologů.

Lotosový efekt: nejslavnější samočisticí povrch světa

Žádná přírodní nanostruktura neovlivnila techniku tak silně jako povrch listu lotosu. Lotosy rostou v bahnitých tropických vodách, a přesto jsou jejich listy vždy dokonale čisté a suché. Tajemství objevil na konci 20. století botanik Wilhelm Barthlott a pojmenoval ho lotosový efekt.

Povrch listu totiž netvoří hladká plocha, jak by se z dálky zdálo. Pod mikroskopem uvidíte les drobných výběžků vysokých zhruba 10 mikrometrů a ty jsou navíc pokryté ještě jemnějšími voskovými výrůstky o velikosti kolem 100 nanometrů. Tahle dvouúrovňová (hierarchická) struktura způsobí, že kapka vody se nemá čeho chytit — místo aby se rozprostřela, stáhne se do téměř dokonalé kuličky a skutálí se pryč. A protože cestou sebere každé smítko, list se čistí sám. Říká se tomu superhydrofobní, tedy extrémně vodoodpudivý povrch.

Inženýři si rychle uvědomili, jakou cenu by takový povrch měl ve světě, kde nás otravuje déšť, špína a mlha. Lotosový efekt dnes najdete na fasádních barvách, samočisticím skle, automobilové kosmetice i v technickém textilu. Princip je vždycky stejný: vytvořit na povrchu nanostrukturu, na které voda ani nečistota nedrží. Stejnou logikou funguje i nanotechnologická ochrana skla, kterou si můžete sami nanést na okna nebo karoserii — povrch se stane hladkým „na úrovni molekul", voda po něm steče a vezme špínu s sebou. Najdete ji v naší kategorii ochrany povrchů. Princip přírodního samočištění využívají i moderní nátěry; jak fungují u domů, popisujeme v článku Samočisticí nátěr a životnost fasády.

Lotosový efekt si vyzkoušejte doma

Horewell nano ochrana skla 100 ml

Zobrazit cenu →

Zobrazit vše →

Gekon: mistr lepení, který nepotřebuje lepidlo

Gekon dokáže to, co vypadá jako kouzlo — běhá po skle, po stropě, hlavou dolů, a drží se i jednou nohou. A přitom na jeho chodidlech není ani kapka lepidla. Jak je to možné?

Odpověď leží opět v nanoměřítku. Chodidla gekona jsou pokrytá miliony mikroskopických chloupků z keratinu, takzvaných setae. Každý z nich se na konci dělí na stovky ještě jemnějších výběžků o velikosti kolem 200 nanometrů. Když se tak ohromné množství drobných hrotů dotkne povrchu, začnou mezi nimi a podkladem působit Van der Waalsovy síly — slabé mezimolekulární přitažlivé síly, které samy o sobě nic neznamenají, ale ve chvíli, kdy jich máte miliardy najednou, unesou váhu celého ještěra. Žádná chemie, jen čistá fyzika v měřítku atomů.

Tenhle princip dnes inspiruje vývoj „suchých lepidel" a úchopových materiálů, které drží a zase pustí, aniž by zanechaly cokoli lepkavého. Robotika, lezecké vybavení i materiály pro vesmír — všude se hodí povrch, který se přilepí silou samotných molekul a nepotřebuje k tomu žádnou tekutinu. Mimochodem, povrch gekonovy nohy je díky téhle struktuře navíc samočisticí, podobně jako list lotosu.

Motýlí křídla a barva bez barvy

Když se podíváte na zářivě modré křídlo motýla rodu Morpho, vidíte jednu z nejkrásnějších iluzí v přírodě. To modré zbarvení totiž nevytváří žádný pigment. Žádné modré barvivo na křídle neexistuje. Barva vzniká čistě z toho, jak se světlo láme a odráží na nanostrukturách z chitinu, jejichž rozměry odpovídají vlnovým délkám viditelného světla.

Tomuto jevu se říká strukturální barva a její projev, kdy povrch hraje různými odstíny podle úhlu pohledu, znáte jako iridescenci (duhovou hru barev na mýdlové bublině nebo na ptačím peří). Motýli rodu Morpho mají na křídlech přírodní fotonické krystaly, drobounké pravidelné struktury, které propustí jen určitou vlnovou délku světla. Výsledkem je oslnivá modř, která nikdy nevybledne, protože není z barviva, které by mohlo zoxidovat.

Pro inženýry je to malý zázrak. Strukturální barvy nikdy nevyblednou, nepotřebují toxické pigmenty a dají se „přepínat" změnou struktury. Vědci podle nich vyvíjejí odolné barevné povlaky, displeje, senzory citlivé na nepatrné změny teploty i ochranné prvky proti padělání. Podobnou strukturální barvu mají i kovově lesklí brouci nebo leskoptve, příbuzné našich špačků. Příroda tak dokázala vyrobit barvu doslova ze samotného světla a tvaru — a my se to teprve učíme.

Pavoučí vlákno: pevnější než ocel, lehčí než bavlna

Kdybyste hledali nejlepší materiál na světě v poměru pevnosti k hmotnosti, jedním z favoritů by bylo pavoučí vlákno. Vlákno pavoučí pavučiny je při stejné tloušťce pevnější než ocel a houževnatější než kevlar — dokáže pohltit obrovské množství energie, než se přetrhne. A přitom ho pavouk „vyrábí" za běžné teploty, z bílkovin rozpuštěných ve vodě, bez jediného gramu odpadu.

Tajemství je opět v nanostruktuře. Pavoučí hedvábí tvoří bílkovinné řetězce, které se v určitých místech skládají do drobných, extrémně uspořádaných nanokrystalů, propojených pružnějšími úseky. Tahle kombinace tvrdých a měkkých oblastí v nanoměřítku dává vláknu zároveň pevnost i pružnost — vlastnosti, které jdou v běžných materiálech jen těžko dohromady.

Vědci se desítky let snaží pavoučí vlákno napodobit. Není to snadné: samotná bílkovina nestačí, záleží právě na tom, jak se v nanoměřítku poskládá. V roce 2024 výzkumníci z Karolinska Institutet ukázali, že pavouci používají speciální přírodní „molekulární zesilovač", díky kterému své vlákno zpevňují — a stejný trik se podařilo využít k výrobě syntetického hedvábí netoxickou cestou. Umělé pavoučí vlákno by jednou mohlo nahradit syntetiku v lékařských stezích, kompozitech i ochranných oděvech. Že nanovlákna nejsou jen teorie, ale fungující produkt, dokazuje i naše povlečení Nanobavlna.

Perleť a ostny ježovek: pevnost z křehkých surovin

Jedna z největších záhad přírodního inženýrství je, jak dokáže příroda postavit tvrdý a houževnatý materiál z naprosto křehkých surovin. Vezměte si perleť — lesklou vnitřní vrstvu mušlí. Skládá se převážně z uhličitanu vápenatého, tedy z vápence, který sám o sobě snadno praská. Příroda ho ale uloží do tisíců tenoučkých nanovrstev proložených pružnou bílkovinou, podobně jako cihly spojené maltou. Když na takový materiál zatlačíte, případná prasklina se nešíří přímo, ale klikatí se mezi vrstvami a ztrácí energii. Perleť je díky tomu mnohonásobně pevnější než vápenec, ze kterého je složená.

Podobný trik používají ostny mořských ježovek. Jsou z kalcitu, který je obvykle křehký a lámavý, ale díky své vnitřní nanostruktuře jsou pozoruhodně pevné. Materiáloví vědci se jimi inspirovali při vývoji extrémně odolného betonu. Z takových přírodních „nanokompozitů" se učíme stavět materiály, které jsou zároveň pevné a lehké — což je sen každého konstruktéra letadel, automobilů i ochranných prvků.

Nanovlákna: jak člověk dohnal přírodu

Až dosud byla příroda v roli učitele a člověk v roli žáka. U nanovláken se ale role poprvé v něčem vyrovnaly — a Česko u toho stálo. Technologii průmyslové výroby nanovláken (zařízení Nanospider) vyvinuli vědci na Technické univerzitě v Liberci, jedné z kolébek nanotechnologického průmyslu.

Nanovlákno je vlákno tisíckrát tenčí než lidský vlas. Když z takových vláken vytvoříte vrstvu, vznikne membrána plná nepatrných pórů. A právě v tom je její kouzlo: póry jsou dost velké, aby jimi prošel vzduch a vodní pára, ale dost malé, aby zastavily částice, které tam nechcete. Funguje to jako bariéra — podobně, jako když les drobných výběžků na listu lotosu nepustí dovnitř vodu.

U antialergických lůžkovin Nanobavlna je nanovlákenná membrána ukrytá uvnitř certifikované biobavlny. Její úkol je jednoduchý a zásadní: vytvořit bariéru, která nepustí roztoče ani jejich alergeny k vaší pokožce a dýchacím cestám. Povlečení přitom zůstává prodyšné a příjemné na spaní — nedusíte se pod neprodyšnou fólií, jak to bývá u starších „antialergických" potahů. Tahle bariérová funkce je hlavní výhoda, na rozdíl od rad typu „perte při 60 °C". Pokud chcete vědět, jak se Nanobavlna vyrábí a komu se hodí, máme o ní podrobný průvodce povlečením pro alergiky.

Nanovlákno v praxi

Povlečení Nanobavlna® pro alergiky

Certifikovaná biobavlna s nanovlákennou membránou, která tvoří bariéru proti roztočům a alergenům — a přitom zůstává prodyšná.

Zobrazit cenu →

Příroda jako továrna na nanočástice

Příroda nevyniká jen ve stavbě struktur — sama vyrábí i nepřeberné množství nanočástic. Vznikají při sopečných erupcích, v mořské vodě, v sedimentech, v ledovcových usazeninách i v rudách. Najdeme mezi nimi nanočástice křemene, uhličitanu vápenatého, oxidů železa nebo stříbra. Některé z nich už člověk využívá — třeba při čištění vody nebo v zemědělství.

To, co kdysi vznikalo náhodou v hlubinách oceánů a v nitru sopek, dnes umíme cíleně vyrábět a měřit. A právě v tom je celá podstata moderních nanotechnologií: nevymýšlíme něco proti přírodě, ale učíme se napodobit to, co si příroda dávno vyzkoušela. Pokud vás zajímá, jestli je s nanotechnologiemi spojené i nějaké riziko, přečtěte si náš článek Jsou nanotechnologie bezpečné? A pro pobavení doporučujeme i text o tom, co mají nanotechnologie společného s čokoládou.

Proč se vyplatí učit se od přírody

Přírodní nanotechnologie mají jednu obrovskou výhodu: vznikaly miliony let evolučním testováním, kdy přežilo jen to, co skutečně fungovalo. Žádný lidský tým inženýrů nemá tolik času ani tolik pokusů. Když tedy vidíme, že list lotosu se čistí sám, gekon drží na skle silou molekul a pavouk tká vlákno pevnější než ocel, máme před sebou ověřená řešení — stačí jim porozumět.

Právě proto je biomimetika jedním z nejnadějnějších směrů materiálového výzkumu. A právě proto v nanoSPACE věříme, že nanotechnologie nejsou žádná „nepřirozená věda". Naopak — jsou nejpřirozenější věc na světě. My jen pomalu doháníme to, co příroda zvládla dávno před námi.

Často kladené dotazy

Josef Handrejch z nanoSPACE

Josef Handrejch vystudoval Technickou univerzitu v Liberci a v nanoSPACE se věnuje výzkumu a vývoji nových nanovlákenných produktů. Má bohaté zkušenosti z oblasti textilní výroby a z oblasti použití nanovlákenných materiálů.

Zdroje

• Bhushan, B. (2009) 'Biomimetics: lessons from nature - an overview', Philosophical Transactions of the Royal Society A, 367(1893), 1445-1486.
• Bhushan, B. & Gupta, B. (2008) 'Biomimetic hierarchical structures for hydrophobicity, self-cleaning, and low adhesion', Philosophical Transactions of the Royal Society A, 366(1870), 1557-1574.
• Sarikaya, M. & Aksay, I. A. (2011) 'Biomimetics: Lessons from nature - An overview', Philosophical Transactions of the Royal Society A, 369(1945), 1598-1613.
• Autumn, K. et al. (2002) 'Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae', Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(19), 12252-12256.
• Vukusic, P. & Sambles, J. R. (2003) 'Photonic structures in biology', Nature, 424, 852-855.
• Karolinska Institutet (2024) 'New ways to strengthen biomimetic spider silk', dostupné na phys.org.