/nginx/o/2021/03/03/13661227t1h2251.jpg)
/nginx/o/2021/05/14/13780923t1hba7b.jpg)
- Putukad oskavad puhtuse hoidmiseks kasutada nanotehnoloogiat
- Vihmapiisad põrkuvad neilt kui kummipallid, tolm tiivale ei jää
- Putukate nanostruktuurid tekitavad bakterirakus stressi, mis selle hävitab
- Inimeste elukeskkonnast on putukate jäljendamiseks palju kasu
Kiilitiibade pinnal laiuvad nanokarvakesed hoiavad neid tolmuvabana, kuid kuulutavad kurja ka baktereist haigusetekitajatele, kes sinna satuvad. Seda osa loodusest nii uurides kui ka kopeerides saab enamatki kui läikiva autokere, kirjutab loodusteadlane Urmas Tartes.
Kõik me tahame, et meie keha oleks piisavalt puhas. Liigne mustus häirib meie organismi normaalset elutalitlust. Näiteks määrdunud käte puutetundlikkus on palju väiksem kui puhaste käte oma. Lisaks võib määrdunud pindade kaudu organismi sattuda selliseid mikroorganisme, kes tahavad meid vaid oma huvides ära kasutada ja tagajärjeks on haigestumine.
Puhtuse möödapääsmatus
Selleks et oma keha puhtana hoida, pesevad inimesed ennast iga päev ja praeguse epideemia ajal on kätepesu koguni ülisage. Ka putukad peavad hoidma oma keha puhtana, kuid nemad ennast inimese kombel pesta ei saa.
Kõigepealt pole neil kasutada selliseid pesuvahendeid nagu inimesel. Pealegi võib rohke veega kokkupuutumine neile lausa eluohtlik olla, sest märjaks saanud putukal kleebivad pindpinevusjõud nii jalad kui tiivad kokku ja nad muutuvad mõneks ajaks liikumisvõimetuks ehk kergeks saagiks röövloomadele. Lisaks ei ulatu nad jalgadega kogu keha pinda kratsima ja naaberputukas selja pesemiseks appi tulla ei oska.
/nginx/o/2021/05/14/13780926t1h9f9a.jpg)
Ometi püsib putukate keha üsna puhas ja seda pealtnäha mitte midagi tehes. Selgub, et putukad on hügieeni pidamises väga nutikad ja oskavad puhtuse hoidmiseks kasutada nanotehnoloogiat, mille kopeerimist inimesed alles õpivad.
Molekulide tõukejõud tõrjub
Putukad võivad vananedes kuluda, kuid määrdunud või muidu räpast putukat kohtame vaid erandjuhul. Nende keha, tiivad ja jalad on alati puhtad. Paljud putukaliigid ei saa isegi vihma kätte sattudes märjaks ja vihmapiisad põrkuvad nende kehalt eemale kui kummipallid. Nad võivad pinnasesse kaevuda ja seal kaevandada, kuid mullast välja pugedes on nende keha taas puhas. Ja kui ka mõned tolmuterad tiivale maanduvad, siis lendu tõustes kaovad need juba esimese tiivalöögiga.
Paljud putukaliigid ei saa isegi vihma kätte sattudes märjaks ja vihmapiisad põrkuvad nende kehalt eemale kui kummipallid.
Kes on proovinud igapäevaelus erinevaid asju kokku liimida, teab, et on pindu, mida saab lihtsalt kokku liimida, ning leidub pindu, mille kokkuliimimine on peaaegu võimatu. Kui puidu liimimine on suhteliselt lihtne, siis näiteks paljude plastide kokkuliimimine on väga keeruline. Liimühenduse tugevus sõltub peamiselt asjaolust, kui tugev on kokkupuutuvate ainete molekulide omavaheline tõmbejõud ehk adhesioon või on sootuks tegemist üksteisest tõukuvate ainetega.
Kõik me oleme harjunud nägema teflonkattega panne, mis vähemalt uuena hülgavad nii vett kui ka õli. Sellise külge pole lootustki midagi liimida.
Satikas kui vahatatud auto
Putukad puutuvad ennekõike kokku kaht tüüpi ainetega: vesi ja tolmuosakesed. Tolmuosakesed on põhiliselt ränioksiid ehk liivaterakesed. Esimese lahendusena kaasataksegi putukate kattesse selliseid aineid, mille molekulid tõukuksid vee- ja liivaterakestega. See kaasamine on toimunud muidugi ülipikas evolutsiooniprotsessis.
/nginx/o/2021/05/14/13780925t1heb8e.jpg)
Autoomanikud teavad, et auto värvikatte vahatamine vähendab pori ja veepritsmete kogunemist autole. Vähesed aga teadvustavad, et oma katte «vahatamine» on olnud putukatel keha puhtuse eest hoolitsemisel kasutusel miljoneid aastaid enne auto ja selle klantsimiseks mõeldud vaha leiutamist.
Putukate kitiinkestas on spetsiaalsed vaharakud, mille ülesanne on eritada keha katvale kitiinkestale õhuke vahakiht. Just vetthülgav vahakiht on üks põhjus, miks hommikukastes puhkavad putukad läbinisti ei märgu, vaid nende kehale tekivad kenad ümmargused veepiisad.
Pesematagi puhas, aga karvane
Kuid putukad ei piirdu oma puhtuse hoidmisel vaid vahatamisega. Selleks, et vähendada molekulidevahelist tõmbejõudu ehk suurendada kehale sattunud osakeste mahapudenemise tõenäosust, saab kasutada ka teist meetodit, milleks on kokkupuutepindala vähendamine.
Tundub paradoksaalsena, kuid putukad ei «lihvi» oma keha katvat vahakihti parimal moel siledaks, vaid toimivad sootuks vastupidi – tekitavad keha pinnale nanokareduse. Neisse põnevatesse struktuuridesse on võimaldanud pilku heita kaasaegsed elektronmikroskoobid. Ennekõike on selliseid nanostruktuure leitud vaegmoondega – see on moone, mille puhul nukkumist ei toimu ja vastsest saab järgmiseks valmik – arenevate putukate tiibadelt.
Putukad ei «lihvi» oma keha katvat vahakihti parimal moel siledaks, vaid toimivad sootuks vastupidi.
Näiteks kiilide tiivad tunduvad silmaga vaadates õhukesed ja siledad kilejad moodustised. Kui aga vaadata tiivapinda eriti suure suurendusega, siis selgub, et tiib on kaetud miniatuursete kooniliste nanopiikidega. Ainult piikide kõrgus ja omavaheline kaugus on suurusjärgus 200 nanomeetrit. Mis tähendab, et tiivale sattunud tolmutera või veetilga kokkupuutepindala tiivaga on väga väike ning tiivale sattunud veetilgal või tolmuteral puudub seetõttu vähimgi võimalus sinna püsima jääda.
/nginx/o/2021/05/14/13780924t1h57a3.jpg)
Vaid õietolmuterad suudavad putukate kehale mõneks ajaks pidama jääda. Siin aga on evolutsioon tolmuterade pinnale loonud spetsiaalse «liimi», mille abil tolmuterad putuka kehale paremini kinnituda saavad; seda vaid sellistele kehaosadele, mis putuka lendamist ei sega.
Nanomehaanilised antibiootikumid
Kiilide ja tsikaadide tiibadelt on peale puhtuse hoidmise leitud ka sootuks ootamatu omadus. Nimelt toimivad tiibade nanopiigid ka omalaadsete mehaaniliste antibiootikumidena. Bakterid suudavad eritada aineid, mille abil nad saavad kleepuda putukate kattele, ka tiibadele. Kuid maandumine putuka tiivale tähendab bakterile surma.
Veel täpselt teadmata mehhanismi abil hakkavad tiibade nanosambad bakterirakku venitama, kuni lõikavad bakteri rakukesta katki ja bakter hukkub. Arvatakse veel, et mingil moel tekitavad nanostruktuurid bakterirakus stressi, mis hukkumist kiirendab. Toime on tõhus, tiivale maandunud bakteri rakk hukkub 20 minuti jooksul ja pärast kuivamist kaob ta tiivalt kui tavaline sodi. Selle protsessi teeb eriliseks asjaolu, et teadaolevalt on kogu protsess mehaaniline – arvestades piikide suurust mõistagi nanomehaaniline.
Kiili tiivale maandunud bakteri rakk hukkub 20 minutiga ja pärast kuivamist kaob kui tavaline sodi.
On loogiline, et putukate kehakate, eriti tiivad on pälvinud suurt tähelepanu tervisekaitse uuringutes. Kujutagem ette pinnakatet, mis on isepuhastuv ja mis sinna langenud bakterid kiiresti hävitab. Kusjuures mehaanilise hävitamise puhul ei teki bakteritel resistentsust, mis on hakanud antibiootikumide kasutamise efektiivsust tõsiselt piirama. Samuti ei kujutaks mehaaniline hävitamine ohtu meie organismis elavatele sümbiontsetele mikroorganismidele.
Sel nanomehaanikal – nagu nanomaterjalide omadustel üldse – on ka üsna arusaadavalt mõistetav füüsikalis-keemiline seletus. Nimelt: mida väiksemaks muutuvad ainetüki mõõtmed, seda suuremaks muutub tüki pinnal olevate molekulide osakaal võrreldes selle tüki sees olevate molekulide hulgaga. See omakorda tähendab, et osa seda moodustava aine osakeste tekitatud elektromagnetvälju jääb justkui kompenseerimata. Nii ongi nanoosakeste pindadel laastav mõju näiteks selle lähedusse sattunud bakterile.
/nginx/o/2021/05/14/13780927t1h105e.jpg)
Teadusuuringute käigus on bakteritsiidseid nanostruktuure suudetud ka tehislikult tekitada. Näiteks titaani pinnale saab tekitada titaanoksiidist nanopiike, mis tapavad sinna langenud bakterid. Nanopiikidega kaetud pinda on suudetud luua ka ränist. Siiski ollakse neis uuringutes veel kaugel tööstuslikust tootmisest ja praktilisest kasutusest.
Putukatest inspireeritud hooldusvabad mehaanilised antibiootikumid ja isepuhastuvad pinnakatted võivad tulevikus saada meie igapäevase elu loomulikuks osaks. Mine tea, võib-olla on ka meie riided tulevikus sellised, mis vajavad praegusest palju vähem pesemist ja pindaktiivsete ainete kasutamist. Meie elukeskkonnale oleks putukate jäljendamisest palju kasu.
Kasutatud materjale artiklist «New Nanomaterials Inspired by Insect Wings Destroy Super-Bacteria – By Stretching, Slicing or Tearing Them Apart», SciTechDaily, August 22, 2020