Biological and Biologically Inspired Functional Nanostructures: Insights into Structural, Optical, Thermal, and Sensing Applications

材料科学 纳米技术 纳米结构 生物材料 纳米材料 仿生学 纳米尺度 生物成像 材料设计 生化工程 工程类 物理 荧光 量子力学 复合材料
作者
Chao Hsuan Sung,Taige Hao,Herry Fang,Andrew Nguyen,Valentina Perricone,Haitao Yu,Wei Huang,Ezra Sarmiento,Adrian Francisco Duran Ornelas,Derek Lublin,Ric Wehling,Sanaz Farajollahi,Atsushi Arakaki,Dhriti Nepal,Nathan P. Lord,David Kisailus
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202509281
摘要

Abstract Biological materials developed over millennia consist of simple biogenic materials, yet exhibit exceptional functional properties. Leveraging design features from these structures with engineered nanomaterial components can lead to bio‐inspired structures that demonstrate superior performance over traditional engineering materials. We describe nanoscale based architectures in biological systems, their role in enhancement of structural, optical, thermal and sensing properties, and their subsequent translation to bio‐inspired structures. In structurally robust biological materials, we highlight nanoscale design features that enhance strength and stiffness, while retaining toughness. In optically active biological materials, we show how periodic nanostructures manipulate electromagnetic waves resulting in structural coloration as well as antireflective and camouflaging properties. Thermally regulating biological materials utilize nanopores and other nanostructural features to statically or dynamically control temperature. In addition, biological materials that are used in sensing utilize various nanostructures that enhance sensitivity by decreasing activation thresholds for signal transduction. We discuss challenges and opportunities including understanding control mechanisms in the formation of biological materials and leveraging advancements in self‐assembly with new additive manufacturing techniques. The continued evaluation of organisms, including those that exhibit multifunctionality, provides not only new design features and pathways, but significant prospects for innovation in this ever‐emerging field.

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