Suuri tähtitieteilijä ja fyysikko Galileo Galilei ratkaisi tämän arvoituksen. Hän ymmärsi mittakaavan suunnattoman merkityksen. Vaikka fysiikan lait ovat samoja kaiken kokoisille esineille, ei ole yhdentekevää, missä mittakaavassa ne vaikuttavat. Galileo osoitti, että kun rakenteen kokoa muutetaan, sen lujuus ei skaalaudu samassa suhteessa kuin koko.
Nanotekniikassa hyödynnetään niitä ilmiöitä, joita skaalaus aiheuttaa, kun rakenteet menevät aivan pieniksi. Toisaalta ne ovat myös teknologisia haasteita. Luin Richard Jonesin nanotekniikkaa esittelevän kirjan ”Pehmeät koneet” (Terra Cognita 2008). Olin valaistunut.
Oletteko koskaan ihmetelleet, miksi itiöt ja siitepölyhiukkaset leijuvat vaivatta ilmassa? Se ei johdu niiden ”keveydestä”. Lapsena tutkin tuntikausia mikroskoopilla siitepölyhiukkasia. Ne olivat muodoltaan ällistyttäviä: palloja, piikkipalloja, tetroja, kuutioita, tähtiä. Mutta ne ovat kovia, ei niissä ollut rakkoja, siipiä tai purjeita. Jos hiukkanen olisi jalkapallon kokoinen, se painaisi viisi kiloa.
Syynä leijuntaan on hiukkaseen kohdistuvien voimien skaalautuminen koon pienetessä. Ilma on viskoosia, aivan kuten vesi tai öljy tai siirappi. Ratkaisevaa on hiukkasen painon ja viskositeetin tuottaman vastuksen suhde. Pienen hiukkasen näkökulmasta ilma on kuin paksua siirappia. Jos ihminen hyppää neljännen kerroksen ikkunasta, hän putoaa maahan alle kahdessa sekunnissa ja pahoin seurauksin. Pieni itiö samasta ikkunasta pudotettuna alkaa vaivalloisesti vajota sitkeän ilman läpi, ja tuo vajoaminen veisi siltä päiviä, jopa kauemminkin. Maahan se ei kuitenkaan ehtisi, sillä pienkin ilman virtaus vie sen mennessään.
Miksi lentokoneet eivät räpytä siipiään? Kyse on aerodynaamisten voimien skaalautumisesta. Pienet linnut räpyttelevät nopeasti, mutta isot jo hitaasti. Sorsat ja hanhet lentävät vaivalloisesti, koska ne ovat lentotapaansa nähden liian suuria. Ne joutuvat kehittämään valtavat rintalihakset, onneksemme, sillä ne ovat makoista syötävää. Suurimmat linnut liitelevät vaivattomasti, ja se on lentokoneellekin edullisin tapa liikkua. Vain harvat hyönteiset liitävät. Hyönteisten skaalassa aerodynamiikka on aivan erilaista ja viskositeetti alkaa haitata liikkumista. Kalvomaiset siivet ovat parhaita sitkeän ilman kauhomisessa. Koon pienentyessä ne joutuvat räpyttämään yhä kiivaammin, jopa 1000 kertaa sekunnissa. Mäkärää pienemmille olioille aktiivinen lento alkaa jo olla fysiikan takia mahdotonta. Niiden valinta on passiivinen leijuminen.
Viskositeetin takia pienille olioille on vaikeaa myös uiminen. Bakteerien ja siittiöiden näkökulmasta vesi on kuin sitkeää liimaa. Niille on paras metodi luikerrella eteenpäin kiivaasti piiskaavien siimojen avulla. Eräät liikkuvat pyörittämällä siiman muodostamaa korkkiruuvia muistuttavaa potkuria.
Ei bakteerin tarvitsekaan liikkua (vaikka jotkut innokkaimmat niin tekevät). Brownin liikkeen (se olisi jo toisen jutun aihe) aiheuttama diffuusio työntää niiden ulottuville jatkuvasti ruokaa. Oikeita laiskiaisia!
