SlideShare une entreprise Scribd logo
1  sur  15
Télécharger pour lire hors ligne
                                                    


                     

                     

 




    NANOYOU Teachers Training Kit in Nanotechnologies




    Chapter 2‐
    Nanoscience in 
    Nature 
    MODULE 1‐ Fundamental concepts in nanoscience and nanotechnologies 




    Written by Luisa Filipponi and Duncan Sutherland
    Interdisciplinary Nanoscience Centre 
    Aarhus University, Denmark 
    January 2010 
     
    Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 unless indicated in text or figure captions. 
     
 

 

 

                                               NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

 



Contents 
What is a natural nanomaterial? .................................................................................................... 3 

    Overview of natural nanomaterials ...........................................................................................................................   
                                                                                                                                                                 3

    Learning from Nature ................................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                         5

Detailed description of some natural nanomaterials ..................................................................... 7 

    Bone ...........................................................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                                    7

    Lotus leaf .................................................................................................................................................................  0 
                                                                                                                                                                                1

    Gecko .......................................................................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                                                 1

    Morpho rhetenor .....................................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                         1

 

 

 

 

 

 

 

 

  This  document  has  been  created  in  the  context  of  the  NANOYOU  project (WP4  Task  4.1).  All  information  is 
  provided “as is” and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose. The 
  user  thereof  uses  the  information  at  its  sole  risk  and  liability.  The  document  reflects  solely  the  views  of  its 
  authors.  The  European  Commission  is  not  liable  for  any  use  that  may  be  made  of  the  information  contained 


                                                                                 Page 2 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 



                Chapter 2: Nanoscience in Nature 
 

This Chapter introduces the concept of “natural nanomaterial” and illustrates with some detail few examples that 
can be introduced in class. 



What is a natural nanomaterial?  
All materials can in principle be described at the nanoscale. By natural nanomaterials here we mean materials that 
belong  to  the  natural  world  (animal  and  mineral),  without  human  modification  or  processing,  and  that  have 
remarkable properties because of their inherent nanostructure.  

The chemical identity and properties of a substance depend upon its molecular structure. The nanostructure of a 
biological material is due to its supramolecular organization: arrangement of tens to hundreds of molecules into 
shapes  and  forms  in  the  nanoscale  range.  The  interaction  of  light,  water  and  other  materials  with  these 
nanostructures give the natural materials sticking properties which can be appreciated at the macro scale. 

Natural  nanomaterials  provide  an  inspiring  way  of  bringing  nanoscience  in  class.  Many  natural  materials  that 
students will be very familiar with ought their properties to nanostructures in their composition. It can be really 
enlightening to realize that common natural materials, such as feathers and spider silk, or materials that we use 
every  day,  such  as  paper  and  clay,  have  properties  that  depend  not  only  on  their  chemistry  but  also  on  their 
nanostructure. 

    Overview of natural nanomaterials 
We  have  hundreds  of  examples  of  nanoscience  under  our  eyes  daily,  from  geckos  that  walk  up  side  down  on  a 
ceiling, apparently against gravity, to butterflies with iridescent colours, to fireflies that glow at night. In Nature we 
encounter some outstanding solutions to complex problems in the form of fine nanostructures to which precise 
functions are associated.  

Here  is  a  short  list  of  some  natural  nanomaterials;  it  is  not  exhaustive,  but  the  interest  teacher  can  find  more 
information in the Bibliography at the end of this Module. 

‐ Nanoparticles from natural erosion and volcanic activity. Nanoparticles are part of our mineral world since they 
are naturally produced during erosion and volcanic explosions.  



                                                          Page 3 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

‐ Minerals, such as clays, are nanostructured. Clays are a type of layered silicates that are characterized by a fine 
2D crystal structure; among these, mica has been the most studied. Mica is made up of large sheets of silicate held 
together by relatively strong bonds. Smectic clays, such as montmorillonite, have relatively weak bonds between 
layers. Each layer consists of two sheets of silica held together by cations such as Li+, Na+, K+ and Ca2+. The presence 
of the cations is necessary for compensating the overall negative charge of the single layers. The layers are 20‐200 
nm  in  diameter  laterally  and  come  into  aggregates  called  tactoids,  which  can  be  about  1  nm  or  more  thick. 
Naturally occurring clays include montmorillonite (MMT) and hecrite. The fine nanostructure of clays determines 
their properties. when water is added, the clay swells , but the volume change is rather unusual, it is several times 
the original volume due to the “opening” of the layered structure by the water molecules that replace the cations. 
Clays swelling is a significant factor in soil stability and must to be taken into account in building roads etc. 

‐  Natural  colloids,  such  as  milk,  blood  (liquid  colloids),  fog  (aerosol  type),  gelatine  (gel‐type).  In  these  materials 
nanoparticles  are  dispersed  in  the  medium  (liquid  or  gas)  but  do  not  form  a  solution,  rather  a  colloid.  All  these 
materials have the characteristic of scattering light and often their colour (such in the case of blood and milk) are 
due to the scattering of light by the nanoparticles that make them up. 

                    The EXPERIMENT A in the NANOYOU Experiment module investigates natural colloids (milk and 
                    gelatine)  and  how  their  properties  are  connected  to  their  nanostructure.  A  gold  colloid  is  the 
                    subject of EXPERIMENT C in the NANOYOU Experiment module. 

 

‐ Mineralized natural materials, such as shells, corals and bones. Many of these materials are formed by calcium 
carbonate crystals that self‐assemble together with other natural materials, such as polymers, to form fascinating 
three‐dimensional architectures. For instance a shell is grown by a layer of cells that first lays down a coating of 
protein  supported  by  a  polysaccharide  polymer  like  chitin.  The  proteins  act  like  a  nano‐assembly  mechanism  to 
control the growth of carbon carbonate crystals. Around each crystal remains a honeycomb‐like matrix of protein 
and chitin. This relatively “flexible envelope” is fundamental for the mechanical properties of the shell and mitigate 
cracking. The size of each crystal is around 100 nm. The result is that the nacre of mollusc shells has extraordinary 
physical properties (strength, resistance to compression etc.) 

‐ Materials like skin, claws, beaks, feathers, horns, hair. These materials are made largely by very flexible proteins 
like keratin, elastin and collagen. Keratins have a large content of glycine and alanine. This leads to β‐sheets that 
can bond strongly one with another in an aligned fashion. Fibrous keratin molecules can twist around each other 
to form helical intermediate filaments. Similarly collagen (not related to keratin in term of primary structure) has a 
high percentage of glycine, and forms flexible triple‐helix structures. In addition to intra and intermolecular bonds, 
keratins  have  numerous  cysteins  that  can  form  stable  di‐sulphide  bonds.  The  amount  of  cysteins  in  the  protein 


                                                            Page 4 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

determines  the  strength  and  rigidity  of  the  material;  keratin  in  human  hair  for  instance  contains  about  14%  of 
cysteins. Materials like nails, hooves and claws have higher percentage of cysteins.  

‐ Paper and cotton. Both are made mainly of cellulose. The high strength, durability and absorbency of cotton are 
due to the nanoscale arrangement of the fibres.  

‐  Insect  wings  and  opals.  The  colours  seen  in  opals  and  butterflies  in  directly  connected  to  their  fine  structure, 
which reveals packed nanostructures that act like a diffraction grating and induces iridescence. In the case of opals 
this is due to packed silica spheres in the nanometre range, uniform in size and arranged in layers. Butterflies own 
the colour of their wings often to pigments that absorb specific colours; in some species, like the beautiful Morpho 
rhetenor, colours are due to the presence in the wings of nanostructures which are photonic crystals. This example 
is discussed in more details in the next session of this Chapter. 

‐ Spider silk. Silk is the material with the highest known strength, about five times that of steel of the same weight. 
The  extraordinary  properties  of  spider  silk  are  due  to  the  proteins  that make  up  the  silk  (mainly  fibroin)  and  its 
supramolecular organization which is at the nanoscale level.  

‐  Lotus  leaf  and  similar  (Nasturtium).  The  nanostructure  of  the  leaf  in  these  plants  is  responsible  for  their 
extraordinary  surface  properties  and  the  ability  to  “self‐clean”.  This  example  is  discussed  in  more  details  in  the 
next session of this Chapter. 

‐  Gecko  feet.  The  structure  of  the  Gecko  feet  is  an  amazing  example  of  relationship  between  function  and 
nanostructure. The ability of geckos to walk upside‐down, against gravity, even on wet or dirty surfaces is intimitily 
connected  to  its  feet  nanostructure.  This  example  is  also  discussed  in  more  details  in  the  next  session  of  this 
Chapter. 

    Learning from Nature 
 Natural  nanomaterials  are  of  interest  not  only  for  understanding  (and  appreciating)  the  amazing  properties  of 
biological materials but also to gather inspiration for the design and engineering of new materials with advanced 
properties.  

The  physical  origins  of  the  remarkable  properties  of  many  biological  materials  are  due  to  complex,  often 
hierarchical  structure1.  They  are  characterized  by  a  surprising  level  of  adaptability  and  multifunctionality.  These 
materials can provide a model for designing radically improved artificial materials for many applications, such as 
solar cells, fuel cells, textiles, drug delivery systems etc. 
                                                                 
1
   Hierarchical structures are those structures that are synthesized at different levels of complexity by alternating 
growth conditions. 

                                                           Page 5 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

What is even more inspiring is the notion that in Nature some very simple laws apply: 

1. Nature runs on sunlight and uses only the energy it needs. Natural nanomaterials are extremely energy efficient! 

2. Nature fits form to function and recycles everything‐waste products are minimized in Nature! 

3. Nature rewards cooperation although it encourages diversity and local expertise.  

The field of material engineering that is devoted at trying to fabricate artificial materials that mimic natural ones is 
conventionally called biomimetics. Nanoscience is a fundamental component of biomimetics. 

                 Natural  nanomaterials  are  inspirational  for  the  engineering  of  new  materials  with  advanced 
                 functionalities.  In  Chapter  5 “Overview  of nanomaterials”  we  will  see  some  examples.  Below  is  a 
                 short list of biomimetic materials inspired from natural ones.  

                             Biomimetic material…..                  …inspired from

                             Polymers                                Sub‐structure of nacre

                             Structural elements                     Wood, ligaments and bone

                             Electrical conduction                   Eels and nervous system

                             Photoemission                           Deep‐sea fish and glow worms 

                             Photonic crystals                       Butterfly and bird wings

                             Hydrophobic surfaces                    Lotus leaf and human skin

                             Adhesives                               Gecko’s feet

                             High tensile strength fibre             Spider silk

                             Artificial intelligence and computing  Human brain

 

 

 

 


                                                           Page 6 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                                     NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

Detailed description of some natural nanomaterials 
We will now describe in some detail some fascinating natural nanostructures, and explain how their natural 
nanostructure is responsible for their properties (like adhesiveness, strength, flexibility, colour etc.) 

    Bone 
If  you  think  about  it,  the  unique  properties  of  bone  are  a  list  of  apparent  contradictions:  rigid,  but  flexible; 
lightweight,  but  solid  enough  to  support  tissue  growth;  mechanically  strong,  but  porous.  Bone  can  withstand 
weight  without  breaking.  Its  compressive  strength  is  about  twice  its  tensional  strength.  These  outstanding 
properties  are  the  result  of  bone’s  complex  hierarchical  structure  and  composition:  bone  material  is  made  of  a 
composite of collagen (mainly type I) fibrils reinforced with calcium phosphate particles (hydroxiapatite2). 

From a mechanical point of view many bones such as the femoral head can be described as a “sandwich” structure 
with a dense external shell (cortical bone) and a spongy interior (cancellous bone). In cancellous bone, only about 
20% of the volume is filled with bone material, the rest is made of bone marrow.  Cortical bone is made of fibrils 
regularly arranged (see Figure 1).  

 
    Figure  1.  (a)  Section  through  a  femoral  head  showing  the  shell  of 
    cortical bone (C) and the spongious bone (S) inside. (b) Enlargement of 
 
    the  cortical  bone  region  revealing  several  osteons  (O)  corresponding 
    to blood vessels surrounded by concentric layers of bone material. (c) 
    picture  of  a  single  trabeculum  from  the  spongious  bone  region.  (d) 
    Further  enlargement  showing  the  lamellar  and  fibrillar  material 
    texture around an osteocyte lacuna (OC) as visible in scanning electron 
    microscopy (see white arrow). The lamellae are formed by bundles of 
    mineralized  collagen  fibrils  (insert).  (Reprinted  from:  Fratzel  et  al., 
    Journal  of  Material  Chemistry  (2004)  14,  2115‐2123.    Reproduced  by 
    permission of the Royal Society of Chemistry).  
 

The  fibrils  consist  of  an  assembly  of  300  nm  long  and  1.5  nm 
thick collagen molecules which are deposited by the osteoblasts 
(bone‐forming  cells)  into  the  extracellular  space  and  the  self‐
assemble  into  fibrils.  Adjacent  fibrils  molecules  are  staggered 
along  the  axial  direction  by  about  D=  67nm  (see  Figure  2), 


                                                                 
2
  Hydroxiapatite: Ca5(PO4)3OH 

                                                                         Page 7 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

generating a characteristic pattern of gap zones with 35 nm length and overlap zones with 32 nm length within the 
fibril. 


                                                         Figure 2. Self‐assembly of collagen fibrils. (a) Procollagen molecule after 
                                                         excretion  from  the  cell.  (b)  Collagen  after  cleavage  of  the  propeptide 
                                                         ends.  (c)  Parallel  self‐assembly  with  a  staggering  period  of  D.  (d) 
                                                         Periodic  density  variation  along  the  fibril  axis,  resulting  from  the 
                                                         staggering. In the stripes labeled O, there is an overlap of all molecules. 
                                                         In the stripes labeled G (gap region), one molecule out of five is missing 
                                                         and  the  density  is  accordingly  smaller.  (Reprinted  from:  Fratz  et  al., 
                                                         progress in Materials Science (2007) 52 (8), 1263‐1334, with permission 
                                                         from Elsevier). 


                                                      

                                                      

                                                      

Collagen fibrils are filled and coated by tiny mineral crystals of hydroxiapatite. These are mainly flat plates mostly 
arranged  parallel  to  each  other  and  parallel  to  the  fibril  main  axis.  Crystals  occur  at  regular  intervals  along  the 
fibrils,  with  an  approximately  repeat  distance  of  67  nm.  In  mammalian  species  bone  mineral  crystals  have  a 
thickness of 2‐4 nm (Figure 3).  

                                                                Figure  3.  Sketch  of  the  arrangement  of  mineral  particles  in 
                                                                collagen  fibrils.  Mineral  particles  are  typically  very  thin  objects 
                                                                (2–4  nm)  and  aligned  with  the  collagen  matrix.  (Image  credit: 
                                                                Fratzel  et  al.,  Journal  of  Material  Chemistry  (2004)  14,  2115‐
                                                                2123.    Reproduced  by  permission  of  the  Royal  Society  of 
                                                                Chemistry).  
 

To  summarize,  bone  is  formed  of  a  soft  organic  matrix  (collagen)  reinforced  by  an  anisotropic  stiff  inorganic 
component  (crystals  of  hydroxiapatite).  These  two  components  are  assembled  in  a  hierarchic  structure  which  is 
organized  at  the  nanoscale  level.  It  is  this  nanoscale  hierarchic  organization  that  allows  bone  to  tolerate  small 
microfractures that arise from normal activity and dissipate deformation energy without propagation of the crack. 
Hydroxiapatite is a rigid material which is not capable of dissipating much energy; therefore collagen is believed to 
have a major role in the structural properties of bone (elastic and plastic deformation). Figure 4 illustrate the role 


                                                            Page 8 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                          NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

of collagen during bone deformation. Older bone, which is more mineralized and thus has a larger percentage of 
hydroxiapatite, is stiffer and breaks more easily.              




     Figure  4.  Schematic  model  for  bone  deformation  in  response  to  external  tensile  load at  three  levels  in  the  structural 
     hierarchy:  at  the  tissue  level  (left),  fibril  array  level  (center),  and  mineralized  collagen  fibrils  (right).  The  stiff  mineralized 
     fibrils deform in tension and transfer the stress between adjacent fibrils by shearing in the thin layers of extrafibrillar matrix 
     (white  dotted  lines  in  the  center  plot  show  direction  of  shear  in  the  extrafibrillar  matrix).  The  fibrils  are  covered  with 
     extrafibrillar mineral particles, shown only over a selected part of the fibrils (red hexagons) so as not to obscure the internal 
     structure  of  the  mineralized  fibril.  Right:  within  each  mineralized  fibril,  the  stiff  mineral  platelets  deform  in  tension  and 
     transfer the stress between adjacent platelets through shear in the interparticle collagen matrix (red dashed lines indicate 
     shearing  qualitatively  and  do  not  imply  homogeneous  deformation).  (Reprinted  from:  Fratz  et  al.,  progress  in  Materials 
     Science (2007) 52 (8), 1263‐1334, with permission from Elsevier).
  

                     Bone is a “perfect” nanocomposite which is used as a model for polymer composites reinforced for 
                     instance with nanomaterials such as carbon nanotubes. Polymer composites and their applications 
                     are covered in Chapter 5 of Module 1 (“Overview of nanomaterials”). 

 

 

 

 

                                                                      Page 9 of 15 

     The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                          (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

    Lotus leaf 
The  Lotus  plant  (Nelumbo  Nucifera)  is  a  native  Asian  plant  which  has  the  distinct  property  of  having  its  leaves 
particularly  clean  even  if  its  natural  habitat  is  muddy.  For  this  reason  this  plant  is  considered  sacred  is  some 
cultures and a sign of purity. The leaves of the Lotus plant have the outstanding characteristic of totally repelling 
water  because  they  are  superhydrophobic  (Figure  5).  The  consequence  is  that  water  droplets  roll  off  the  leaf 
surface and in doing so it to drag dirt away from it, as in the illustration (Figure 7). This effect, called “self‐cleaning” 
renders  the  Lotus  leaf  clean  and  resistant  to  dirt.  The  same  effect  is  found  in  other  leaves  such  as  those  of 
Tropeaolum‐ Nasturtium and some Canas, and in some animals suck as the water strider. 




    Figure 5. /Left to right): A Lotus leaf (iNANO, Aarhus University, Creative Commons ShareAlike 3.0), Tropeaolum‐Nasturtium 
    leaves (Wiki Commons, Creative Commons ShareAlike 3.0), and a water droplet resting on the surface of a nasturtium leaf 
    (A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Germany, NISE Network, reprinted under NISE network terms and conditions).

 

HOW IS THIS NANO?  

The  surface  properties  of  the  Lotus  leaf  were  first  investigated  by  Wilhelm  Barthlott.  In  1997  he  published  an 
important  paper  where  he  described  for  the  first  time  the  “Lotus  effect”  (a  term  that  he  later  copyrighted) 
responsible for the self‐cleaning properties of the Lotus leaves. In his original paper Barthlott showed that the self‐
cleaning  properties  of  the  Lotus  plant  is  the  combination  of  the  micro‐structure  of  the  leaves,  and  of  the 
epidermal  cells  on  its  rough  surface,  which  are  covered  with  wax‐crystals  (Figure  6).  These  crystals  provide  a 
water‐repellent layer, which is enhanced by the roughness of the surface, making it a superhydrophobic surface, 
with a contact angle of about 150. The consequence is that water droplets on the surface tend to minimize the 
contact  between  the  surface  and  the  drop,  forming  a  nearly‐spherical  droplet.      Figure  6  shows  the  progressive 
magnification of a Nasturtium leaf. In the last image on the right nanocrystals few tens of nanometres in size are 
shown. 

 

 

                                                         Page 10 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                      NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

 
    A                                 B                                  C                                   D    
 

 

 

    Figure  6.  Close‐  up  views  at  progressive  magnification  of  a  Nasturtium leaf  revealing  the  presence of  surface 
    nanocrystals  (image  on  the  far  right).  (Image  credit  (A):  A.Snyder,  Exploratorium;  (B,  C):  A.Marshall,  Stanford 
    University, (D): A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Germany, all images are material of the NISE Network, 
    reprinted under NISE network terms and conditions). 

 

The consequence is that water droplets roll off the leaf surface and in doing so it 
drag dirt away from it, as in the illustration in Figure 7. This effect, called  “self‐
cleaning” renders the Lotus leaf clean and resistant to dirt. 

Contaminants on the surface (generally larger then the cellular structure of the 
leaves) rest on the tips of the rough surface. When a water droplet rolls over the 
contaminant,  the  droplet  removes  the  particle  from  the  surface  of  the  leaf 

(Figure 8). 
                                                                                 Figure  7.  Diagram  summarizing  the  connection 
                                                                                 between  roughening  and  self‐cleaning.  While  on 
                                                                                 smooth  surfaces  the  particles  are  mainly 
                                                                                 redistributed  by  water  (bottom),  they  adhere  to  the 
                                                                                 droplets surfaces on rough surfaces and are removed 
                                                                                 from the leaves when the droplets roll off (right)  


                                                                          
    Figure  8.  From  left  to  right:  graphic  representation  of 
    water  droplets  on  a  Lotus  leaf,  actual  SEM  image  of  a       
    droplet  of  mercury  dragging  dirt  away  on  a  lotus  leaf. 
    (Image  credit:  by  William  Thielicke,  Creative  Commons           
    Attribution ShareAlike 3.0). 
                                                                          




                                                                Page 11 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                              NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

                The Lotus effect® has been an inspiration for several innovative materials, mainly with the aim of 
                inferring  them  self‐cleaning  properties  to  reduce  the  amount  of  cleaning  needed,  with  an  obvious 
                environment  benefit.  This  includes  also  textiles.  This  is  covered  in  Chapter  2  of  Module  2 
                (“Application of Nanotechnologies: Environment”). The Lotus effect® is also used in new solar‐cells 
covers  to  increase  their  efficiency; this  is  explored  in  Chapter  3 of  Module 2  (Application of  Nanotechnologies: 
Energy”).  

 

                           The  EXPERIMENT  D  in  the  NANOYOU  Experiment  module  investigates  the  Lotus  effect  in  real 
                           plants and in innovative materials such as Nano‐Tex® fabric and nanoporous silicon. 

                                           

    Gecko 
A gecko can cling virtually to any surface at any orientation; walk on smooth or rough surfaces, even upside down 
on  a  glass  surface;  and  walk  on  dirt  or  wet  surfaces  maintaining  full  contact  and  adhesion  to  it.  As  he  walks,  a 
gecko  does  not  secrete  any  sticky  substance,  and  its  feet  do  not  have  any  suction‐like  features  (even  at 
microscopic sizes). The reason of the gecko’s amazing properties lies on the nanostructures that are present on his 
foot. 

The gecko foot has a series of small ridges called scansors which contain numerous projections called setae. Each 
setae is about 100 μm long and has a diameter of about 5 μm. There are about half a million of these setae on the 
feet of a gecko. Each setae is further subdivided into about a thousand 200‐nm wide projections called spatulae 
(Figure 9). As a result, the total surface area of the gecko feet is enormous. The gecko spatulae are very flexible so 
they  essentially  mould  themselves  into  the  molecular  structure  of  any  surface.  The  result  is  a  strong  adhesion 
which is entirely due to Wan der Waals forces. A single seta can resist 200 μN of force, or ~ 10 atmospheres of 
stress. The gecko case is thus a very good example on the effect of large surface area on small forces. 

                              

 

 

 




                                                                 Page 12 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 



                                                                                          Figure  9.  Structural  hierarchy  of 
                                                                                          the  gecko  adhesive  system.  (A) 
                                                                                          Macrostructure:  ventral  view  of  a 
                                                                                          tokay  gecko  (G.  gecko)  climbing 
                                                                                          vertical  glass.  (B)  Mesostructure: 
                                                                                          ventral  view  of  the  foot,  with 
                                                                                          adhesive  lamellae  (scansors) 
                                                                                          visible  as  overlapping  pads.  Note 
                                                                                          the  clean  appearance  of  the 
                                                                                          adhesive           surface.       (C) 
                                                                                          Microstructure: roximal portion of 
                                                                                          a  single  lamella,  with  individual 
                                                                                          setae in an array visible. (D and E) 
                                                                                          Nanostructure:  single  seta  with 
                                                                                          branched structure at upper right, 
                                                                                          terminating  in  hundreds  of 
                                                                                          spatular  tips.  (Reprinted  with 
                                                                                          permission    from:  Hansen  et  al., 
                                                                                          Proocedings  of  the  national 
                                                                                          Academy  of  Science  (2005),  102 
                                                                                          (2),  386‐389.  Copyright  (2005) 
                                                                                          National  Academy  of  Science, 
 
                                                                                          USA)
 

Another vey interesting property of geckos is that their feet don’t get dirty as they walk, even if they walk on a 
surface  covered  with  sand,  dirt,  water  etc.  Its  feet  stay  clean  even  on  dirty  surfaces,  and  full  adhesion  is 
maintained. The issue was investigated and it was found that the feet remain clean because it is more energetically 
favourable  for  particles  to  be  deposited  on  the  surface  rather  than  remain  adhered  to  the  gecko  spatulae.  If  a 
gecko walks over a dirty surface, he just needs few steps to get his feet totally clean again, and adhesion is not 
compromised.  

                 This self‐cleaning property of the gecko feet is now investigated to design new materials that stay 
                 clean and/or can self‐clean for instance as “bio‐rubbers”. This is discussed in Chapter 5 of Module 1 
                 (“Overview of Nanomaterials”). 

                                                        Page 13 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

    Morpho rhetenor  
The wings of butterflies often display extraordinary colours which are a consequence of the wing’s surface and its 
interaction with light. The wings also exhibit iridescence, which is the shift in colour of an object when observed at 
different angles. The effect can easily be seen by observing a music CD.  

Iridescence  is  a  “physical  colour”  and  it  results  from  the  interaction  of  light  with  the  physical  structure  of  the 
surface.  To  interact  with  visible  light  those  structures  must  be  nano‐sized  (visible  light  is  between  380  and  750 
nm). The interaction of light with this nano‐rough surface can lead to constructive or destructive interference. The 
colour, intensity, and angles of iridescence depend on the thickness and refractive index of the substrate, and on 
the incident angle and frequency of the incident light.  

In  materials  like  opals,  natural  iridescence  is  observed,  due  to  packed  silica  spheres  in  the  nanometre  range, 
uniform in size and arranged in layers. This provides appropriate conditions for interference. 

In  the  case  of  butterflies  and  moths,  the  iridescence  is  produced  in  a  peculiar  way.  Scientist  have  studied  the 
structure of the Morpho rhetenor in details and have found that these are formed of rows of scales arranged like 
tiles in a roof. Each scale is about 70x200 µm and has a smaller structure on its surface, a very intricate and highly 
ordered  nanometre  organization  of  ridges.  Each  ridge  is  about  800  nm  wide.  The  spaces  between  them  form  a 
natural photonic crystal that can generate constructive and destructive interference. The SEM analysis of the cross 
section  of  the  ridges  on  the  wings  shows  and  even  more  intricate  structure  that  look  like  evergreen  trees  (last 
image in Figure 10). 




Figure  10.  Close‐  up  views  at  progressive  magnification  of  the  Morpho  rhetenor  showing  the  scales,  which 
mignified  show  photnic  crystal  structure,  which  in  turn  show  a  cross  section  displaying  satea  that  look  like 
evergreen  trees.  (Images  credit:  (far  left):  Wiki  Commons,  Creative  Commons  Attribution  ShareAlike  3.0;  (all 
other  images):  S.Yoshioka,  Osaka  University,  NISE  Network,  reprinted  under  NISE  network  terms  and 
conditions) 
 

These are called satae, are about 400 nm long, and are responsible for producing constructive interference in the 
blue wavelengths which generate the strong blue colour (Figure 11). 
                                                          Page 14 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2 

 


                                             Figure  11.  The  blue  colour  of  the  wings  are  due  to  the  constructive 
                                             interference  of  light  generated  by  the  photonic  crystal  in  the  wings 
                                             structure  (Image  credit:  F.  Nijhout,  Duke  University,  NISE  Network, 
                                             reprinted under NISE network terms and conditions) 

                                          

                                          

           A photonic crystal is a periodic nanostructure that can modify the passage of light. The refractive indices 
           of the materials that make up the crystal, and the presence of cavities or other defects determine which 
         frequencies of light can propagate well.  

                 In computing, propagation of light (rather than electrons) is being investigated as an alternative to 
                 current integrated circuits. Photonics and photonic crystals in particular are described Chapter 4 of 
                 Module 2 (“Application of Nanotechnologies: ICT”). 

 




                                                          Page 15 of 15 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                         (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 

Contenu connexe

Tendances

Nanomaterials and their classification
Nanomaterials and their classificationNanomaterials and their classification
Nanomaterials and their classificationSuleman Hanif
 
Bio nano (Top-down bottom up approach)
Bio nano (Top-down bottom up approach) Bio nano (Top-down bottom up approach)
Bio nano (Top-down bottom up approach) ManojKumar6080
 
Nanomaterial and their application
Nanomaterial and their applicationNanomaterial and their application
Nanomaterial and their applicationPreeti Choudhary
 
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONS
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONSNANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONS
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONSCHINMOY PAUL
 
Nanomaterials and nanoparticles
Nanomaterials and nanoparticlesNanomaterials and nanoparticles
Nanomaterials and nanoparticlessaivikas26
 
Introduction to nanoscience and nanotechnology
Introduction to nanoscience and nanotechnologyIntroduction to nanoscience and nanotechnology
Introduction to nanoscience and nanotechnologyMazhar Laliwala
 
Nano Technology
Nano TechnologyNano Technology
Nano TechnologyArun ACE
 
Size effect of nanomaterials part1
Size effect of nanomaterials part1Size effect of nanomaterials part1
Size effect of nanomaterials part1Mugilan Narayanasamy
 
Size effects
Size effectsSize effects
Size effectssameerr98
 
Nanotechnology
NanotechnologyNanotechnology
NanotechnologyKANNAN
 
Introduction to Properties of nanomaterials
Introduction to Properties of nanomaterialsIntroduction to Properties of nanomaterials
Introduction to Properties of nanomaterialsMD AHAD ALI
 
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS ANFAS KT
 

Tendances (20)

Nanomaterials and their classification
Nanomaterials and their classificationNanomaterials and their classification
Nanomaterials and their classification
 
Bio nano (Top-down bottom up approach)
Bio nano (Top-down bottom up approach) Bio nano (Top-down bottom up approach)
Bio nano (Top-down bottom up approach)
 
Nano technology
Nano technologyNano technology
Nano technology
 
Nanomaterial and their application
Nanomaterial and their applicationNanomaterial and their application
Nanomaterial and their application
 
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONS
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONSNANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONS
NANOTECHNOLOGY AND IT'S APPLICATIONS
 
Nanomaterials and nanoparticles
Nanomaterials and nanoparticlesNanomaterials and nanoparticles
Nanomaterials and nanoparticles
 
Introduction to nanoscience and nanotechnology
Introduction to nanoscience and nanotechnologyIntroduction to nanoscience and nanotechnology
Introduction to nanoscience and nanotechnology
 
carbon nanotubes
 carbon nanotubes   carbon nanotubes
carbon nanotubes
 
Nano-Science
Nano-ScienceNano-Science
Nano-Science
 
Carbon Nanotubes
Carbon NanotubesCarbon Nanotubes
Carbon Nanotubes
 
Nano Technology
Nano TechnologyNano Technology
Nano Technology
 
Size effect of nanomaterials part1
Size effect of nanomaterials part1Size effect of nanomaterials part1
Size effect of nanomaterials part1
 
Nanowires
NanowiresNanowires
Nanowires
 
Size effects
Size effectsSize effects
Size effects
 
Nanocomposite
NanocompositeNanocomposite
Nanocomposite
 
Nanomaterials
NanomaterialsNanomaterials
Nanomaterials
 
Nanomaterials 3
Nanomaterials 3Nanomaterials 3
Nanomaterials 3
 
Nanotechnology
NanotechnologyNanotechnology
Nanotechnology
 
Introduction to Properties of nanomaterials
Introduction to Properties of nanomaterialsIntroduction to Properties of nanomaterials
Introduction to Properties of nanomaterials
 
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS
HISTORY OF NANOTECHNOLOGY AND IMPORTANT SCIENTISTS
 

En vedette

Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologiesFundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)NANOYOU
 
Introduction to nanoscience and nanotechnologies
Introduction to nanoscience and nanotechnologiesIntroduction to nanoscience and nanotechnologies
Introduction to nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologiesOverview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnology
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnologyExperiment with natural nanomaterials - nanotechnology
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnologyNANOYOU
 
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologiesHistory of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologiesFabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Various nanoparticles with their application
Various nanoparticles with their applicationVarious nanoparticles with their application
Various nanoparticles with their applicationManya Education Pvt Ltd
 
Properties of nano materials
Properties of nano materialsProperties of nano materials
Properties of nano materialsPoojith Chowdhary
 
Properties of Nano-materials
Properties of Nano-materialsProperties of Nano-materials
Properties of Nano-materialsPartha P. Mishra
 

En vedette (12)

Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologiesFundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
 
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
 
Introduction to nanoscience and nanotechnologies
Introduction to nanoscience and nanotechnologiesIntroduction to nanoscience and nanotechnologies
Introduction to nanoscience and nanotechnologies
 
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologiesOverview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies
Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies
 
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnology
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnologyExperiment with natural nanomaterials - nanotechnology
Experiment with natural nanomaterials - nanotechnology
 
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologiesHistory of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
 
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologiesFabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
 
Various nanoparticles with their application
Various nanoparticles with their applicationVarious nanoparticles with their application
Various nanoparticles with their application
 
Natural nanomaterials
Natural nanomaterialsNatural nanomaterials
Natural nanomaterials
 
Properties of nano materials
Properties of nano materialsProperties of nano materials
Properties of nano materials
 
Properties of Nano-materials
Properties of Nano-materialsProperties of Nano-materials
Properties of Nano-materials
 
Nano ppt
Nano pptNano ppt
Nano ppt
 

Similaire à Nanoscience in nature

Application of nanotechnologies: environment
Application of nanotechnologies: environmentApplication of nanotechnologies: environment
Application of nanotechnologies: environmentNANOYOU
 
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologiesCharacterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologiesNANOYOU
 
Application of nanotechnologies: energy
Application of nanotechnologies: energyApplication of nanotechnologies: energy
Application of nanotechnologies: energyNANOYOU
 
Application of nanotechnologies: ICT
Application of nanotechnologies: ICTApplication of nanotechnologies: ICT
Application of nanotechnologies: ICTNANOYOU
 
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINAL
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINALGESAMP_2015 Report 90_electronic FINAL
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINALAngela Köhler
 
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcare
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcareApplication of nanotechnologies: Medicine and healthcare
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcareNANOYOU
 
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale Farmers
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale FarmersJatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale Farmers
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale FarmersZK8
 
Production of rare earth oxides
Production of rare earth oxidesProduction of rare earth oxides
Production of rare earth oxidesalan59
 
Icp forest 2010 Crna Gora
Icp forest 2010 Crna Gora Icp forest 2010 Crna Gora
Icp forest 2010 Crna Gora s1t2i3k4a
 
Nanomaterials based on soluble silicates
Nanomaterials based on soluble silicatesNanomaterials based on soluble silicates
Nanomaterials based on soluble silicatesNikolai Kudravcev
 
The Eagle The Beautiful Creation of God Ethomology
The Eagle The Beautiful Creation of God EthomologyThe Eagle The Beautiful Creation of God Ethomology
The Eagle The Beautiful Creation of God EthomologySister Lara
 
Earss 2007 Final
Earss 2007 FinalEarss 2007 Final
Earss 2007 FinalFran Fran
 

Similaire à Nanoscience in nature (20)

Application of nanotechnologies: environment
Application of nanotechnologies: environmentApplication of nanotechnologies: environment
Application of nanotechnologies: environment
 
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologiesCharacterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
 
Application of nanotechnologies: energy
Application of nanotechnologies: energyApplication of nanotechnologies: energy
Application of nanotechnologies: energy
 
Application of nanotechnologies: ICT
Application of nanotechnologies: ICTApplication of nanotechnologies: ICT
Application of nanotechnologies: ICT
 
Exposome
ExposomeExposome
Exposome
 
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINAL
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINALGESAMP_2015 Report 90_electronic FINAL
GESAMP_2015 Report 90_electronic FINAL
 
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcare
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcareApplication of nanotechnologies: Medicine and healthcare
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcare
 
Hssttx2
Hssttx2Hssttx2
Hssttx2
 
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale Farmers
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale FarmersJatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale Farmers
Jatropha and Sustainable Livelihood of Small-scale Farmers
 
Production of rare earth oxides
Production of rare earth oxidesProduction of rare earth oxides
Production of rare earth oxides
 
Icp forest 2010 Crna Gora
Icp forest 2010 Crna Gora Icp forest 2010 Crna Gora
Icp forest 2010 Crna Gora
 
Hssttx1
Hssttx1Hssttx1
Hssttx1
 
Tham Thau Nguoc
Tham Thau NguocTham Thau Nguoc
Tham Thau Nguoc
 
Arctic inter
Arctic interArctic inter
Arctic inter
 
Mangroves
MangrovesMangroves
Mangroves
 
Nanomaterials based on soluble silicates
Nanomaterials based on soluble silicatesNanomaterials based on soluble silicates
Nanomaterials based on soluble silicates
 
The Eagle The Beautiful Creation of God Ethomology
The Eagle The Beautiful Creation of God EthomologyThe Eagle The Beautiful Creation of God Ethomology
The Eagle The Beautiful Creation of God Ethomology
 
Earss 2007 Final
Earss 2007 FinalEarss 2007 Final
Earss 2007 Final
 
spurgeon_thesis_final
spurgeon_thesis_finalspurgeon_thesis_final
spurgeon_thesis_final
 
Guv
GuvGuv
Guv
 

Plus de NANOYOU

Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologiesTeachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologiesNANOYOU
 
Experiment amb materials superhidròfobs
Experiment amb materials superhidròfobsExperiment amb materials superhidròfobs
Experiment amb materials superhidròfobsNANOYOU
 
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'or
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'orExperiment amb nanosensors colorimètrics d'or
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'orNANOYOU
 
Experiment amb nanomaterials naturals
Experiment amb nanomaterials naturalsExperiment amb nanomaterials naturals
Experiment amb nanomaterials naturalsNANOYOU
 
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...NANOYOU
 
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)NANOYOU
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...NANOYOU
 
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)NANOYOU
 
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)NANOYOU
 
Experiment with liquid crystals - Teacher guide
Experiment with liquid crystals - Teacher guideExperiment with liquid crystals - Teacher guide
Experiment with liquid crystals - Teacher guideNANOYOU
 
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)NANOYOU
 
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...NANOYOU
 
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)NANOYOU
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...NANOYOU
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)NANOYOU
 
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)NANOYOU
 
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)NANOYOU
 
Role play - Nano based solar cell - Nanotechnology
Role play - Nano based solar cell - NanotechnologyRole play - Nano based solar cell - Nanotechnology
Role play - Nano based solar cell - NanotechnologyNANOYOU
 
Role play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
Role play - Revolution for the light bulb - NanotechnologyRole play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
Role play - Revolution for the light bulb - NanotechnologyNANOYOU
 

Plus de NANOYOU (19)

Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologiesTeachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
 
Experiment amb materials superhidròfobs
Experiment amb materials superhidròfobsExperiment amb materials superhidròfobs
Experiment amb materials superhidròfobs
 
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'or
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'orExperiment amb nanosensors colorimètrics d'or
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'or
 
Experiment amb nanomaterials naturals
Experiment amb nanomaterials naturalsExperiment amb nanomaterials naturals
Experiment amb nanomaterials naturals
 
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
 
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
 
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
 
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
 
Experiment with liquid crystals - Teacher guide
Experiment with liquid crystals - Teacher guideExperiment with liquid crystals - Teacher guide
Experiment with liquid crystals - Teacher guide
 
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
 
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
 
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
 
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
 
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
 
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
 
Role play - Nano based solar cell - Nanotechnology
Role play - Nano based solar cell - NanotechnologyRole play - Nano based solar cell - Nanotechnology
Role play - Nano based solar cell - Nanotechnology
 
Role play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
Role play - Revolution for the light bulb - NanotechnologyRole play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
Role play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
 

Dernier

Software Engineering Methodologies (overview)
Software Engineering Methodologies (overview)Software Engineering Methodologies (overview)
Software Engineering Methodologies (overview)eniolaolutunde
 
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across Sectors
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across SectorsAPM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across Sectors
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across SectorsAssociation for Project Management
 
Hybridoma Technology ( Production , Purification , and Application )
Hybridoma Technology  ( Production , Purification , and Application  ) Hybridoma Technology  ( Production , Purification , and Application  )
Hybridoma Technology ( Production , Purification , and Application ) Sakshi Ghasle
 
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptx
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptxPOINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptx
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptxSayali Powar
 
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...Marc Dusseiller Dusjagr
 
Mastering the Unannounced Regulatory Inspection
Mastering the Unannounced Regulatory InspectionMastering the Unannounced Regulatory Inspection
Mastering the Unannounced Regulatory InspectionSafetyChain Software
 
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of Powders
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of PowdersMicromeritics - Fundamental and Derived Properties of Powders
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of PowdersChitralekhaTherkar
 
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...EduSkills OECD
 
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptx
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptxSOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptx
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptxiammrhaywood
 
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and Actinides
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and ActinidesSeparation of Lanthanides/ Lanthanides and Actinides
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and ActinidesFatimaKhan178732
 
PSYCHIATRIC History collection FORMAT.pptx
PSYCHIATRIC   History collection FORMAT.pptxPSYCHIATRIC   History collection FORMAT.pptx
PSYCHIATRIC History collection FORMAT.pptxPoojaSen20
 
Crayon Activity Handout For the Crayon A
Crayon Activity Handout For the Crayon ACrayon Activity Handout For the Crayon A
Crayon Activity Handout For the Crayon AUnboundStockton
 
Alper Gobel In Media Res Media Component
Alper Gobel In Media Res Media ComponentAlper Gobel In Media Res Media Component
Alper Gobel In Media Res Media ComponentInMediaRes1
 
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy Consulting
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy ConsultingGrant Readiness 101 TechSoup and Remy Consulting
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy ConsultingTechSoup
 
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptx
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptxIntroduction to AI in Higher Education_draft.pptx
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptxpboyjonauth
 
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK LOOKBOOK(1) (1).pdf
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK  LOOKBOOK(1) (1).pdfBASLIQ CURRENT LOOKBOOK  LOOKBOOK(1) (1).pdf
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK LOOKBOOK(1) (1).pdfSoniaTolstoy
 
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting DataJhengPantaleon
 
Accessible design: Minimum effort, maximum impact
Accessible design: Minimum effort, maximum impactAccessible design: Minimum effort, maximum impact
Accessible design: Minimum effort, maximum impactdawncurless
 
mini mental status format.docx
mini    mental       status     format.docxmini    mental       status     format.docx
mini mental status format.docxPoojaSen20
 

Dernier (20)

Software Engineering Methodologies (overview)
Software Engineering Methodologies (overview)Software Engineering Methodologies (overview)
Software Engineering Methodologies (overview)
 
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across Sectors
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across SectorsAPM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across Sectors
APM Welcome, APM North West Network Conference, Synergies Across Sectors
 
Hybridoma Technology ( Production , Purification , and Application )
Hybridoma Technology  ( Production , Purification , and Application  ) Hybridoma Technology  ( Production , Purification , and Application  )
Hybridoma Technology ( Production , Purification , and Application )
 
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptx
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptxPOINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptx
POINT- BIOCHEMISTRY SEM 2 ENZYMES UNIT 5.pptx
 
Código Creativo y Arte de Software | Unidad 1
Código Creativo y Arte de Software | Unidad 1Código Creativo y Arte de Software | Unidad 1
Código Creativo y Arte de Software | Unidad 1
 
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...
“Oh GOSH! Reflecting on Hackteria's Collaborative Practices in a Global Do-It...
 
Mastering the Unannounced Regulatory Inspection
Mastering the Unannounced Regulatory InspectionMastering the Unannounced Regulatory Inspection
Mastering the Unannounced Regulatory Inspection
 
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of Powders
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of PowdersMicromeritics - Fundamental and Derived Properties of Powders
Micromeritics - Fundamental and Derived Properties of Powders
 
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
Presentation by Andreas Schleicher Tackling the School Absenteeism Crisis 30 ...
 
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptx
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptxSOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptx
SOCIAL AND HISTORICAL CONTEXT - LFTVD.pptx
 
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and Actinides
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and ActinidesSeparation of Lanthanides/ Lanthanides and Actinides
Separation of Lanthanides/ Lanthanides and Actinides
 
PSYCHIATRIC History collection FORMAT.pptx
PSYCHIATRIC   History collection FORMAT.pptxPSYCHIATRIC   History collection FORMAT.pptx
PSYCHIATRIC History collection FORMAT.pptx
 
Crayon Activity Handout For the Crayon A
Crayon Activity Handout For the Crayon ACrayon Activity Handout For the Crayon A
Crayon Activity Handout For the Crayon A
 
Alper Gobel In Media Res Media Component
Alper Gobel In Media Res Media ComponentAlper Gobel In Media Res Media Component
Alper Gobel In Media Res Media Component
 
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy Consulting
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy ConsultingGrant Readiness 101 TechSoup and Remy Consulting
Grant Readiness 101 TechSoup and Remy Consulting
 
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptx
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptxIntroduction to AI in Higher Education_draft.pptx
Introduction to AI in Higher Education_draft.pptx
 
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK LOOKBOOK(1) (1).pdf
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK  LOOKBOOK(1) (1).pdfBASLIQ CURRENT LOOKBOOK  LOOKBOOK(1) (1).pdf
BASLIQ CURRENT LOOKBOOK LOOKBOOK(1) (1).pdf
 
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data
_Math 4-Q4 Week 5.pptx Steps in Collecting Data
 
Accessible design: Minimum effort, maximum impact
Accessible design: Minimum effort, maximum impactAccessible design: Minimum effort, maximum impact
Accessible design: Minimum effort, maximum impact
 
mini mental status format.docx
mini    mental       status     format.docxmini    mental       status     format.docx
mini mental status format.docx
 

Nanoscience in nature

  • 1.            NANOYOU Teachers Training Kit in Nanotechnologies Chapter 2‐ Nanoscience in  Nature  MODULE 1‐ Fundamental concepts in nanoscience and nanotechnologies  Written by Luisa Filipponi and Duncan Sutherland Interdisciplinary Nanoscience Centre  Aarhus University, Denmark  January 2010    Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 unless indicated in text or figure captions.   
  • 2.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2    Contents  What is a natural nanomaterial? .................................................................................................... 3  Overview of natural nanomaterials ...........................................................................................................................    3 Learning from Nature ................................................................................................................................................    5 Detailed description of some natural nanomaterials ..................................................................... 7  Bone ...........................................................................................................................................................................    7 Lotus leaf .................................................................................................................................................................  0  1 Gecko .......................................................................................................................................................................  2  1 Morpho rhetenor .....................................................................................................................................................  4  1                   This  document  has  been  created  in  the  context  of  the  NANOYOU  project (WP4  Task  4.1).  All  information  is  provided “as is” and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose. The    user  thereof  uses  the  information  at  its  sole  risk  and  liability.  The  document  reflects  solely  the  views  of  its  authors.  The  European  Commission  is  not  liable  for  any  use  that  may  be  made  of  the  information  contained  Page 2 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 3.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  Chapter 2: Nanoscience in Nature    This Chapter introduces the concept of “natural nanomaterial” and illustrates with some detail few examples that  can be introduced in class.  What is a natural nanomaterial?   All materials can in principle be described at the nanoscale. By natural nanomaterials here we mean materials that  belong  to  the  natural  world  (animal  and  mineral),  without  human  modification  or  processing,  and  that  have  remarkable properties because of their inherent nanostructure.   The chemical identity and properties of a substance depend upon its molecular structure. The nanostructure of a  biological material is due to its supramolecular organization: arrangement of tens to hundreds of molecules into  shapes  and  forms  in  the  nanoscale  range.  The  interaction  of  light,  water  and  other  materials  with  these  nanostructures give the natural materials sticking properties which can be appreciated at the macro scale.  Natural  nanomaterials  provide  an  inspiring  way  of  bringing  nanoscience  in  class.  Many  natural  materials  that  students will be very familiar with ought their properties to nanostructures in their composition. It can be really  enlightening to realize that common natural materials, such as feathers and spider silk, or materials that we use  every  day,  such  as  paper  and  clay,  have  properties  that  depend  not  only  on  their  chemistry  but  also  on  their  nanostructure.  Overview of natural nanomaterials  We  have  hundreds  of  examples  of  nanoscience  under  our  eyes  daily,  from  geckos  that  walk  up  side  down  on  a  ceiling, apparently against gravity, to butterflies with iridescent colours, to fireflies that glow at night. In Nature we  encounter some outstanding solutions to complex problems in the form of fine nanostructures to which precise  functions are associated.   Here  is  a  short  list  of  some  natural  nanomaterials;  it  is  not  exhaustive,  but  the  interest  teacher  can  find  more  information in the Bibliography at the end of this Module.  ‐ Nanoparticles from natural erosion and volcanic activity. Nanoparticles are part of our mineral world since they  are naturally produced during erosion and volcanic explosions.   Page 3 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 4.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  ‐ Minerals, such as clays, are nanostructured. Clays are a type of layered silicates that are characterized by a fine  2D crystal structure; among these, mica has been the most studied. Mica is made up of large sheets of silicate held  together by relatively strong bonds. Smectic clays, such as montmorillonite, have relatively weak bonds between  layers. Each layer consists of two sheets of silica held together by cations such as Li+, Na+, K+ and Ca2+. The presence  of the cations is necessary for compensating the overall negative charge of the single layers. The layers are 20‐200  nm  in  diameter  laterally  and  come  into  aggregates  called  tactoids,  which  can  be  about  1  nm  or  more  thick.  Naturally occurring clays include montmorillonite (MMT) and hecrite. The fine nanostructure of clays determines  their properties. when water is added, the clay swells , but the volume change is rather unusual, it is several times  the original volume due to the “opening” of the layered structure by the water molecules that replace the cations.  Clays swelling is a significant factor in soil stability and must to be taken into account in building roads etc.  ‐  Natural  colloids,  such  as  milk,  blood  (liquid  colloids),  fog  (aerosol  type),  gelatine  (gel‐type).  In  these  materials  nanoparticles  are  dispersed  in  the  medium  (liquid  or  gas)  but  do  not  form  a  solution,  rather  a  colloid.  All  these  materials have the characteristic of scattering light and often their colour (such in the case of blood and milk) are  due to the scattering of light by the nanoparticles that make them up.  The EXPERIMENT A in the NANOYOU Experiment module investigates natural colloids (milk and  gelatine)  and  how  their  properties  are  connected  to  their  nanostructure.  A  gold  colloid  is  the  subject of EXPERIMENT C in the NANOYOU Experiment module.    ‐ Mineralized natural materials, such as shells, corals and bones. Many of these materials are formed by calcium  carbonate crystals that self‐assemble together with other natural materials, such as polymers, to form fascinating  three‐dimensional architectures. For instance a shell is grown by a layer of cells that first lays down a coating of  protein  supported  by  a  polysaccharide  polymer  like  chitin.  The  proteins  act  like  a  nano‐assembly  mechanism  to  control the growth of carbon carbonate crystals. Around each crystal remains a honeycomb‐like matrix of protein  and chitin. This relatively “flexible envelope” is fundamental for the mechanical properties of the shell and mitigate  cracking. The size of each crystal is around 100 nm. The result is that the nacre of mollusc shells has extraordinary  physical properties (strength, resistance to compression etc.)  ‐ Materials like skin, claws, beaks, feathers, horns, hair. These materials are made largely by very flexible proteins  like keratin, elastin and collagen. Keratins have a large content of glycine and alanine. This leads to β‐sheets that  can bond strongly one with another in an aligned fashion. Fibrous keratin molecules can twist around each other  to form helical intermediate filaments. Similarly collagen (not related to keratin in term of primary structure) has a  high percentage of glycine, and forms flexible triple‐helix structures. In addition to intra and intermolecular bonds,  keratins  have  numerous  cysteins  that  can  form  stable  di‐sulphide  bonds.  The  amount  of  cysteins  in  the  protein  Page 4 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 5.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  determines  the  strength  and  rigidity  of  the  material;  keratin  in  human  hair  for  instance  contains  about  14%  of  cysteins. Materials like nails, hooves and claws have higher percentage of cysteins.   ‐ Paper and cotton. Both are made mainly of cellulose. The high strength, durability and absorbency of cotton are  due to the nanoscale arrangement of the fibres.   ‐  Insect  wings  and  opals.  The  colours  seen  in  opals  and  butterflies  in  directly  connected  to  their  fine  structure,  which reveals packed nanostructures that act like a diffraction grating and induces iridescence. In the case of opals  this is due to packed silica spheres in the nanometre range, uniform in size and arranged in layers. Butterflies own  the colour of their wings often to pigments that absorb specific colours; in some species, like the beautiful Morpho  rhetenor, colours are due to the presence in the wings of nanostructures which are photonic crystals. This example  is discussed in more details in the next session of this Chapter.  ‐ Spider silk. Silk is the material with the highest known strength, about five times that of steel of the same weight.  The  extraordinary  properties  of  spider  silk  are  due  to  the  proteins  that make  up  the  silk  (mainly  fibroin)  and  its  supramolecular organization which is at the nanoscale level.   ‐  Lotus  leaf  and  similar  (Nasturtium).  The  nanostructure  of  the  leaf  in  these  plants  is  responsible  for  their  extraordinary  surface  properties  and  the  ability  to  “self‐clean”.  This  example  is  discussed  in  more  details  in  the  next session of this Chapter.  ‐  Gecko  feet.  The  structure  of  the  Gecko  feet  is  an  amazing  example  of  relationship  between  function  and  nanostructure. The ability of geckos to walk upside‐down, against gravity, even on wet or dirty surfaces is intimitily  connected  to  its  feet  nanostructure.  This  example  is  also  discussed  in  more  details  in  the  next  session  of  this  Chapter.  Learning from Nature   Natural  nanomaterials  are  of  interest  not  only  for  understanding  (and  appreciating)  the  amazing  properties  of  biological materials but also to gather inspiration for the design and engineering of new materials with advanced  properties.   The  physical  origins  of  the  remarkable  properties  of  many  biological  materials  are  due  to  complex,  often  hierarchical  structure1.  They  are  characterized  by  a  surprising  level  of  adaptability  and  multifunctionality.  These  materials can provide a model for designing radically improved artificial materials for many applications, such as  solar cells, fuel cells, textiles, drug delivery systems etc.                                                                    1  Hierarchical structures are those structures that are synthesized at different levels of complexity by alternating  growth conditions.  Page 5 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 6.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  What is even more inspiring is the notion that in Nature some very simple laws apply:  1. Nature runs on sunlight and uses only the energy it needs. Natural nanomaterials are extremely energy efficient!  2. Nature fits form to function and recycles everything‐waste products are minimized in Nature!  3. Nature rewards cooperation although it encourages diversity and local expertise.   The field of material engineering that is devoted at trying to fabricate artificial materials that mimic natural ones is  conventionally called biomimetics. Nanoscience is a fundamental component of biomimetics.  Natural  nanomaterials  are  inspirational  for  the  engineering  of  new  materials  with  advanced  functionalities.  In  Chapter  5 “Overview  of nanomaterials”  we  will  see  some  examples.  Below  is  a  short list of biomimetic materials inspired from natural ones.   Biomimetic material…..  …inspired from Polymers  Sub‐structure of nacre Structural elements Wood, ligaments and bone Electrical conduction Eels and nervous system Photoemission  Deep‐sea fish and glow worms  Photonic crystals  Butterfly and bird wings Hydrophobic surfaces Lotus leaf and human skin Adhesives  Gecko’s feet High tensile strength fibre Spider silk Artificial intelligence and computing  Human brain         Page 6 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 7.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  Detailed description of some natural nanomaterials  We will now describe in some detail some fascinating natural nanostructures, and explain how their natural  nanostructure is responsible for their properties (like adhesiveness, strength, flexibility, colour etc.)  Bone  If  you  think  about  it,  the  unique  properties  of  bone  are  a  list  of  apparent  contradictions:  rigid,  but  flexible;  lightweight,  but  solid  enough  to  support  tissue  growth;  mechanically  strong,  but  porous.  Bone  can  withstand  weight  without  breaking.  Its  compressive  strength  is  about  twice  its  tensional  strength.  These  outstanding  properties  are  the  result  of  bone’s  complex  hierarchical  structure  and  composition:  bone  material  is  made  of  a  composite of collagen (mainly type I) fibrils reinforced with calcium phosphate particles (hydroxiapatite2).  From a mechanical point of view many bones such as the femoral head can be described as a “sandwich” structure  with a dense external shell (cortical bone) and a spongy interior (cancellous bone). In cancellous bone, only about  20% of the volume is filled with bone material, the rest is made of bone marrow.  Cortical bone is made of fibrils  regularly arranged (see Figure 1).     Figure  1.  (a)  Section  through  a  femoral  head  showing  the  shell  of  cortical bone (C) and the spongious bone (S) inside. (b) Enlargement of    the  cortical  bone  region  revealing  several  osteons  (O)  corresponding    to blood vessels surrounded by concentric layers of bone material. (c)  picture  of  a  single  trabeculum  from  the  spongious  bone  region.  (d)    Further  enlargement  showing  the  lamellar  and  fibrillar  material  texture around an osteocyte lacuna (OC) as visible in scanning electron    microscopy (see white arrow). The lamellae are formed by bundles of  mineralized  collagen  fibrils  (insert).  (Reprinted  from:  Fratzel  et  al.,    Journal  of  Material  Chemistry  (2004)  14,  2115‐2123.    Reproduced  by  permission of the Royal Society of Chemistry).     The  fibrils  consist  of  an  assembly  of  300  nm  long  and  1.5  nm  thick collagen molecules which are deposited by the osteoblasts  (bone‐forming  cells)  into  the  extracellular  space  and  the  self‐ assemble  into  fibrils.  Adjacent  fibrils  molecules  are  staggered  along  the  axial  direction  by  about  D=  67nm  (see  Figure  2),                                                                    2  Hydroxiapatite: Ca5(PO4)3OH  Page 7 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 8.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  generating a characteristic pattern of gap zones with 35 nm length and overlap zones with 32 nm length within the  fibril.  Figure 2. Self‐assembly of collagen fibrils. (a) Procollagen molecule after  excretion  from  the  cell.  (b)  Collagen  after  cleavage  of  the  propeptide  ends.  (c)  Parallel  self‐assembly  with  a  staggering  period  of  D.  (d)  Periodic  density  variation  along  the  fibril  axis,  resulting  from  the  staggering. In the stripes labeled O, there is an overlap of all molecules.  In the stripes labeled G (gap region), one molecule out of five is missing  and  the  density  is  accordingly  smaller.  (Reprinted  from:  Fratz  et  al.,  progress in Materials Science (2007) 52 (8), 1263‐1334, with permission  from Elsevier).        Collagen fibrils are filled and coated by tiny mineral crystals of hydroxiapatite. These are mainly flat plates mostly  arranged  parallel  to  each  other  and  parallel  to  the  fibril  main  axis.  Crystals  occur  at  regular  intervals  along  the  fibrils,  with  an  approximately  repeat  distance  of  67  nm.  In  mammalian  species  bone  mineral  crystals  have  a  thickness of 2‐4 nm (Figure 3).   Figure  3.  Sketch  of  the  arrangement  of  mineral  particles  in  collagen  fibrils.  Mineral  particles  are  typically  very  thin  objects  (2–4  nm)  and  aligned  with  the  collagen  matrix.  (Image  credit:  Fratzel  et  al.,  Journal  of  Material  Chemistry  (2004)  14,  2115‐   2123.    Reproduced  by  permission  of  the  Royal  Society  of  Chemistry).     To  summarize,  bone  is  formed  of  a  soft  organic  matrix  (collagen)  reinforced  by  an  anisotropic  stiff  inorganic  component  (crystals  of  hydroxiapatite).  These  two  components  are  assembled  in  a  hierarchic  structure  which  is  organized  at  the  nanoscale  level.  It  is  this  nanoscale  hierarchic  organization  that  allows  bone  to  tolerate  small  microfractures that arise from normal activity and dissipate deformation energy without propagation of the crack.  Hydroxiapatite is a rigid material which is not capable of dissipating much energy; therefore collagen is believed to  have a major role in the structural properties of bone (elastic and plastic deformation). Figure 4 illustrate the role  Page 8 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 9.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  of collagen during bone deformation. Older bone, which is more mineralized and thus has a larger percentage of  hydroxiapatite, is stiffer and breaks more easily.               Figure  4.  Schematic  model  for  bone  deformation  in  response  to  external  tensile  load at  three  levels  in  the  structural  hierarchy:  at  the  tissue  level  (left),  fibril  array  level  (center),  and  mineralized  collagen  fibrils  (right).  The  stiff  mineralized  fibrils deform in tension and transfer the stress between adjacent fibrils by shearing in the thin layers of extrafibrillar matrix  (white  dotted  lines  in  the  center  plot  show  direction  of  shear  in  the  extrafibrillar  matrix).  The  fibrils  are  covered  with  extrafibrillar mineral particles, shown only over a selected part of the fibrils (red hexagons) so as not to obscure the internal  structure  of  the  mineralized  fibril.  Right:  within  each  mineralized  fibril,  the  stiff  mineral  platelets  deform  in  tension  and  transfer the stress between adjacent platelets through shear in the interparticle collagen matrix (red dashed lines indicate  shearing  qualitatively  and  do  not  imply  homogeneous  deformation).  (Reprinted  from:  Fratz  et  al.,  progress  in  Materials  Science (2007) 52 (8), 1263‐1334, with permission from Elsevier).    Bone is a “perfect” nanocomposite which is used as a model for polymer composites reinforced for  instance with nanomaterials such as carbon nanotubes. Polymer composites and their applications  are covered in Chapter 5 of Module 1 (“Overview of nanomaterials”).          Page 9 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 10.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  Lotus leaf  The  Lotus  plant  (Nelumbo  Nucifera)  is  a  native  Asian  plant  which  has  the  distinct  property  of  having  its  leaves  particularly  clean  even  if  its  natural  habitat  is  muddy.  For  this  reason  this  plant  is  considered  sacred  is  some  cultures and a sign of purity. The leaves of the Lotus plant have the outstanding characteristic of totally repelling  water  because  they  are  superhydrophobic  (Figure  5).  The  consequence  is  that  water  droplets  roll  off  the  leaf  surface and in doing so it to drag dirt away from it, as in the illustration (Figure 7). This effect, called “self‐cleaning”  renders  the  Lotus  leaf  clean  and  resistant  to  dirt.  The  same  effect  is  found  in  other  leaves  such  as  those  of  Tropeaolum‐ Nasturtium and some Canas, and in some animals suck as the water strider.  Figure 5. /Left to right): A Lotus leaf (iNANO, Aarhus University, Creative Commons ShareAlike 3.0), Tropeaolum‐Nasturtium  leaves (Wiki Commons, Creative Commons ShareAlike 3.0), and a water droplet resting on the surface of a nasturtium leaf  (A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Germany, NISE Network, reprinted under NISE network terms and conditions).   HOW IS THIS NANO?   The  surface  properties  of  the  Lotus  leaf  were  first  investigated  by  Wilhelm  Barthlott.  In  1997  he  published  an  important  paper  where  he  described  for  the  first  time  the  “Lotus  effect”  (a  term  that  he  later  copyrighted)  responsible for the self‐cleaning properties of the Lotus leaves. In his original paper Barthlott showed that the self‐ cleaning  properties  of  the  Lotus  plant  is  the  combination  of  the  micro‐structure  of  the  leaves,  and  of  the  epidermal  cells  on  its  rough  surface,  which  are  covered  with  wax‐crystals  (Figure  6).  These  crystals  provide  a  water‐repellent layer, which is enhanced by the roughness of the surface, making it a superhydrophobic surface,  with a contact angle of about 150. The consequence is that water droplets on the surface tend to minimize the  contact  between  the  surface  and  the  drop,  forming  a  nearly‐spherical  droplet.      Figure  6  shows  the  progressive  magnification of a Nasturtium leaf. In the last image on the right nanocrystals few tens of nanometres in size are  shown.      Page 10 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 11.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2    A                                 B                                  C                                   D           Figure  6.  Close‐  up  views  at  progressive  magnification  of  a  Nasturtium leaf  revealing  the  presence of  surface  nanocrystals  (image  on  the  far  right).  (Image  credit  (A):  A.Snyder,  Exploratorium;  (B,  C):  A.Marshall,  Stanford  University, (D): A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Germany, all images are material of the NISE Network,  reprinted under NISE network terms and conditions).    The consequence is that water droplets roll off the leaf surface and in doing so it  drag dirt away from it, as in the illustration in Figure 7. This effect, called  “self‐ cleaning” renders the Lotus leaf clean and resistant to dirt.  Contaminants on the surface (generally larger then the cellular structure of the  leaves) rest on the tips of the rough surface. When a water droplet rolls over the  contaminant,  the  droplet  removes  the  particle  from  the  surface  of  the  leaf  (Figure 8).  Figure  7.  Diagram  summarizing  the  connection    between  roughening  and  self‐cleaning.  While  on  smooth  surfaces  the  particles  are  mainly    redistributed  by  water  (bottom),  they  adhere  to  the  droplets surfaces on rough surfaces and are removed    from the leaves when the droplets roll off (right)     Figure  8.  From  left  to  right:  graphic  representation  of  water  droplets  on  a  Lotus  leaf,  actual  SEM  image  of  a    droplet  of  mercury  dragging  dirt  away  on  a  lotus  leaf.  (Image  credit:  by  William  Thielicke,  Creative  Commons    Attribution ShareAlike 3.0).    Page 11 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 12.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  The Lotus effect® has been an inspiration for several innovative materials, mainly with the aim of  inferring  them  self‐cleaning  properties  to  reduce  the  amount  of  cleaning  needed,  with  an  obvious  environment  benefit.  This  includes  also  textiles.  This  is  covered  in  Chapter  2  of  Module  2  (“Application of Nanotechnologies: Environment”). The Lotus effect® is also used in new solar‐cells  covers  to  increase  their  efficiency; this  is  explored  in  Chapter  3 of  Module 2  (Application of  Nanotechnologies:  Energy”).     The  EXPERIMENT  D  in  the  NANOYOU  Experiment  module  investigates  the  Lotus  effect  in  real  plants and in innovative materials such as Nano‐Tex® fabric and nanoporous silicon.                   Gecko  A gecko can cling virtually to any surface at any orientation; walk on smooth or rough surfaces, even upside down  on  a  glass  surface;  and  walk  on  dirt  or  wet  surfaces  maintaining  full  contact  and  adhesion  to  it.  As  he  walks,  a  gecko  does  not  secrete  any  sticky  substance,  and  its  feet  do  not  have  any  suction‐like  features  (even  at  microscopic sizes). The reason of the gecko’s amazing properties lies on the nanostructures that are present on his  foot.  The gecko foot has a series of small ridges called scansors which contain numerous projections called setae. Each  setae is about 100 μm long and has a diameter of about 5 μm. There are about half a million of these setae on the  feet of a gecko. Each setae is further subdivided into about a thousand 200‐nm wide projections called spatulae  (Figure 9). As a result, the total surface area of the gecko feet is enormous. The gecko spatulae are very flexible so  they  essentially  mould  themselves  into  the  molecular  structure  of  any  surface.  The  result  is  a  strong  adhesion  which is entirely due to Wan der Waals forces. A single seta can resist 200 μN of force, or ~ 10 atmospheres of  stress. The gecko case is thus a very good example on the effect of large surface area on small forces.                                       Page 12 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 13.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  Figure  9.  Structural  hierarchy  of  the  gecko  adhesive  system.  (A)  Macrostructure:  ventral  view  of  a  tokay  gecko  (G.  gecko)  climbing  vertical  glass.  (B)  Mesostructure:  ventral  view  of  the  foot,  with  adhesive  lamellae  (scansors)  visible  as  overlapping  pads.  Note  the  clean  appearance  of  the  adhesive  surface.  (C)  Microstructure: roximal portion of  a  single  lamella,  with  individual  setae in an array visible. (D and E)  Nanostructure:  single  seta  with  branched structure at upper right,  terminating  in  hundreds  of  spatular  tips.  (Reprinted  with  permission    from:  Hansen  et  al.,  Proocedings  of  the  national  Academy  of  Science  (2005),  102    (2),  386‐389.  Copyright  (2005)  National  Academy  of  Science,    USA)   Another vey interesting property of geckos is that their feet don’t get dirty as they walk, even if they walk on a  surface  covered  with  sand,  dirt,  water  etc.  Its  feet  stay  clean  even  on  dirty  surfaces,  and  full  adhesion  is  maintained. The issue was investigated and it was found that the feet remain clean because it is more energetically  favourable  for  particles  to  be  deposited  on  the  surface  rather  than  remain  adhered  to  the  gecko  spatulae.  If  a  gecko walks over a dirty surface, he just needs few steps to get his feet totally clean again, and adhesion is not  compromised.   This self‐cleaning property of the gecko feet is now investigated to design new materials that stay  clean and/or can self‐clean for instance as “bio‐rubbers”. This is discussed in Chapter 5 of Module 1  (“Overview of Nanomaterials”).  Page 13 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 14.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2  Morpho rhetenor   The wings of butterflies often display extraordinary colours which are a consequence of the wing’s surface and its  interaction with light. The wings also exhibit iridescence, which is the shift in colour of an object when observed at  different angles. The effect can easily be seen by observing a music CD.   Iridescence  is  a  “physical  colour”  and  it  results  from  the  interaction  of  light  with  the  physical  structure  of  the  surface.  To  interact  with  visible  light  those  structures  must  be  nano‐sized  (visible  light  is  between  380  and  750  nm). The interaction of light with this nano‐rough surface can lead to constructive or destructive interference. The  colour, intensity, and angles of iridescence depend on the thickness and refractive index of the substrate, and on  the incident angle and frequency of the incident light.   In  materials  like  opals,  natural  iridescence  is  observed,  due  to  packed  silica  spheres  in  the  nanometre  range,  uniform in size and arranged in layers. This provides appropriate conditions for interference.  In  the  case  of  butterflies  and  moths,  the  iridescence  is  produced  in  a  peculiar  way.  Scientist  have  studied  the  structure of the Morpho rhetenor in details and have found that these are formed of rows of scales arranged like  tiles in a roof. Each scale is about 70x200 µm and has a smaller structure on its surface, a very intricate and highly  ordered  nanometre  organization  of  ridges.  Each  ridge  is  about  800  nm  wide.  The  spaces  between  them  form  a  natural photonic crystal that can generate constructive and destructive interference. The SEM analysis of the cross  section  of  the  ridges  on  the  wings  shows  and  even  more  intricate  structure  that  look  like  evergreen  trees  (last  image in Figure 10).  Figure  10.  Close‐  up  views  at  progressive  magnification  of  the  Morpho  rhetenor  showing  the  scales,  which  mignified  show  photnic  crystal  structure,  which  in  turn  show  a  cross  section  displaying  satea  that  look  like  evergreen  trees.  (Images  credit:  (far  left):  Wiki  Commons,  Creative  Commons  Attribution  ShareAlike  3.0;  (all  other  images):  S.Yoshioka,  Osaka  University,  NISE  Network,  reprinted  under  NISE  network  terms  and  conditions)    These are called satae, are about 400 nm long, and are responsible for producing constructive interference in the  blue wavelengths which generate the strong blue colour (Figure 11).  Page 14 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 15.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 2    Figure  11.  The  blue  colour  of  the  wings  are  due  to  the  constructive  interference  of  light  generated  by  the  photonic  crystal  in  the  wings  structure  (Image  credit:  F.  Nijhout,  Duke  University,  NISE  Network,  reprinted under NISE network terms and conditions)      A photonic crystal is a periodic nanostructure that can modify the passage of light. The refractive indices  of the materials that make up the crystal, and the presence of cavities or other defects determine which  frequencies of light can propagate well.   In computing, propagation of light (rather than electrons) is being investigated as an alternative to  current integrated circuits. Photonics and photonic crystals in particular are described Chapter 4 of  Module 2 (“Application of Nanotechnologies: ICT”).    Page 15 of 15  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433