ナノテクノロジーは比較的最近の人類の発明として描かれることが多いものの、実際には自然界はナノスケールの構造に満ちています。細菌からベリー類、スズメバチからクジラに至るまで、さまざまな生物の基本的な機能を支えています。
実際、ナノサイエンスの原理を巧みに利用した例は、5億年以上前から存在する自然の構造にまでさかのぼることができます。以下では、科学者が次世代の人類の技術を生み出すために活用できるインスピレーションの源を5つご紹介します。
1. 構造色
いくつかの種類の甲虫と蝶の色彩は、慎重に間隔を空けて配置されたナノスケールの柱の集合によって生み出されています。キトサンなどの糖類やケラチンなどのタンパク質でできたこれらの柱の間の隙間の幅は、光を操作して特定の色や、玉虫色のような効果を生み出すように設計されています。
この仕組みの利点の一つは耐久性です。色素は光に当たると退色しがちですが、構造色は驚くほど長期間にわたって安定しています。最近の研究では、例えば金属的な青色をしたマーブルベリーの構造色が調べられ、1974年に採集された標本が取り上げられました。これらの標本は死後も長い間、色を保ち続けていました。
もう一つの利点は、隙間の大きさや形状を変えるだけで、また細孔を液体や蒸気で満たすことによっても色を変えられることです。実際、構造色の存在を示す最初の手がかりは、標本を水に浸した後に見られる鮮やかな色の変化であることが多いのです。一部の翅の構造は隙間内の空気密度に非常に敏感で、温度に反応して色が変化することも確認されています。
2. 長距離からの視認性
光を単に角度を変えて反射させて色を表現するだけでなく、極めて薄いスリット板の層の中には、光線の進行方向を完全に反転させるものもあります。この光の偏向と遮断が組み合わさることで、「単一の蝶の翅」が「半マイル先からも見える」といった見事な光学効果や、「輝くような白い鱗片」を持つ甲虫などが生み出されます。その幅はわずか5マイクロメートルです。実際、これらの構造は、25倍の厚さを持つ人工的に設計された構造をも凌駕するほど優れています。単一の蝶の翅が半マイル先からも見える、そして輝くような白い鱗片を持つ甲虫
3. 接着
ヤモリの足は、ミリ秒単位でほぼあらゆる固体表面にしっかりと吸着し、明らかな力を要することなく離れることができます。この接着は、純粋に物理的なもので、化学的な相互作用はありません。足と表面の間には
ヤモリの足の接着層は、「スパチュラ（へら状毛）」と呼ばれる分岐したナノスケールの剛毛の層で、長さは約200ナノメートルです。数千本のこのスパチュラが、ミクロンサイズの「セタ（剛毛）」に付着しています。どちらも非常に柔軟なケラチンでできています。スパチュラの付着と剥離の仕組みの詳細についての研究は現在も進行中ですが、粘着性のある化学物質を使わずに機能しているという事実そのものが、設計における見事な偉業です。
ヤモリの足には、ほかにも興味深い特徴があります。自己洁净性があり、自己膠着（セタ同士が互いに付着しないこと）に強く、初期状態では（互いに対しても含め）剥がれやすい性質を持っています。これらの特徴は、提案を促してきました。すなわち将来的には、接着剤、ネジ、リベットのすべてを、ケラチンや類似の材料を異なる型に流し込むという単一の工程で製造できるかもしれない、という提案です。
4. 多孔質による強度
あらゆる固体の中で最も強い形態は単結晶状態（ダイヤモンドを想像してください）であり、そこでは原子が対象物の一端から他端まで、ほぼ完全な秩序で配列しています。鋼棒、航空機の機体、自動車のパネルなどは単結晶ではなく、多結晶であり、その構造は粒の集合体であるモザイクに似ています。したがって理論上は、粒径を大きくするか、構造全体を単結晶にすることで、これらの材料の強度を向上させられる可能性があります。
単結晶は非常に重くなりがちですが、自然はこれに対する解決策として、ナノ構造の細孔という形を備えています。その結果生まれる構造、すなわちメソ結晶は、その重量区分において与えられた固体の中で最も強い形態です。ウニの棘や真珠層（真珠母）はいずれもメソ結晶の形態でできています。これらの生物は軽量な殻を持ちながら、圧力の高い非常に深い海底にも生息することができます。
理論上、メソ結晶材料は製造可能ですが、既存の工程では多くの複雑な操作が必要になります。微小なナノ粒子を、原子レベルの精度で整列するまで回転させ、成長中のメソ結晶の他の部分に結合させ、その後、柔らかいスペーサーの周囲でゲル化させて、最終的に多孔質のネットワークを形成する必要があるでしょう。
5. 細菌のナビゲーション
走磁性細菌は、地球自身の磁場を含むごくわずかな磁場を感知する驚異的な能力を持っています。これは、マグネトソームと呼ばれるナノ結晶の小さな鎖を使って行われます。これらは30〜50ナノメートルの大きさの粒子で、磁鉄鉱（酸化鉄の一種）、またはそれほど一般的ではありませんがグライガイト（鉄と硫黄の化合物）でできています。マグネトソームのいくつかの特徴が組み合わさることで、折りたたみ可能な「磁針」が形成され、人工の類似品よりも何倍も高い感度を持ちます。
これらの「センサー」は短距離の航行にしか使われていませんが（走磁性細菌は池に生息しています）、その精度は驚くべきものです。彼らは道を見つけられるだけでなく、粒径を変化させることで情報を保持でき、同時に成長は最も磁気に敏感な原子配列に限定されています。
しかし、酸素と硫黄は鉄と非常に激しく結合して磁鉄鉱、グライガイト、またはその他50種以上の化合物（そのうち磁性を持つのはごくわずか）を生成するため、正しい形態を選択的に生成し、マグネトソームの鎖を作り出すには高度な技術が必要です。このような巧みさは現在のところ私たちの手に届くものではありませんが、科学者がこれらの構造を模倣する方法を習得すれば、将来のナビゲーションに革命をもたらす可能性があります。
