Forskere bruger snegletænder til at forbedre solceller og batterier

(Phys.org)—En assisterende professor ved University of California, Riversides Bourns College of Engineering bruger tænderne på en havsnegl fundet ved Californiens kyst til at skabe billigere og mere effektive nanoskala-materialer til forbedring af solceller og lithium-ion-batterier.

De seneste resultater af David Kisailus, en adjunkt i kemi- og miljøteknik, beskriver, hvordan tænderne i chiton vokser. Papiret blev offentliggjort i dag (16. januar) i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Det var medforfatter af flere af hans nuværende og tidligere studerende og videnskabsmænd ved Harvard University i Cambridge Mass., Chapman University i Orange, Californien og Brookhaven National Laboratory i Upton, NY.

Papiret er fokuseret på gumboot chiton, den største type chiton, som kan være op til en fod lang. De findes langs Stillehavets kyster fra det centrale Californien til Alaska. De har en læderagtig øvre hud, som normalt er rødbrun og lejlighedsvis orange, får nogle til at give det tilnavnet "vandrende kødbrød".

Over tid, chitoner har udviklet sig til at spise alger, der vokser på og inden i klipper ved hjælp af et specialiseret rasperorgan kaldet en radula, en transportbåndslignende struktur i munden, der indeholder 70 til 80 parallelle rækker af tænder. Under fodringsprocessen, de første par rækker af tænderne bruges til at slibe sten for at komme til algerne. De bliver slidte, men nye tænder produceres løbende og kommer ind i "slidzonen" i samme takt som tænderne fældes.

Kisailus, der bruger naturen som inspiration til at designe næste generations ingeniørprodukter og materialer, begyndte at studere chitons for fem år siden, fordi han var interesseret i slid- og slagfaste materialer. Han har tidligere fastslået, at chitontænderne indeholder det hårdeste biomineral, der er kendt på Jorden, magnetit, som er det centrale mineral, der ikke kun gør tanden hård, men også magnetisk.

I det netop udgivne papir, "Fasetransformationer og strukturelle udviklinger i de radulære tænder af Cryptochiton stelleri , "Kisailus satte sig for at bestemme, hvordan det hårde og magnetiske ydre område af tanden dannes.

Hans arbejde afslørede, at dette sker i tre trin. I første omgang, hydrerede jernoxid (ferrihydrit) krystaller kerner på en fiberlignende kitinholdig (kompleks sukker) organisk skabelon. Disse nanokrystallinske ferrihydritpartikler omdannes til et magnetisk jernoxid (magnetit) gennem en solid-state transformation. Endelig, magnetitpartiklerne vokser langs disse organiske fibre, giver parallelle stænger i de modne tænder, der gør dem så hårde og seje.

"Utroligt, alt dette sker ved stuetemperatur og under miljøvenlige forhold, " sagde Kisailus. "Dette gør det attraktivt at bruge lignende strategier til at fremstille nanomaterialer på en omkostningseffektiv måde."

Kisailus bruger lektionerne fra denne biomineraliseringsvej som inspiration i sit laboratorium til at styre væksten af ​​mineraler, der bruges i solceller og lithium-ion-batterier. Ved at kontrollere krystalstørrelsen, form og orientering af tekniske nanomaterialer, han mener, at han kan bygge materialer, der gør det muligt for solcellerne og lithium-ion-batterierne at fungere mere effektivt. Med andre ord, solcellerne vil være i stand til at fange en større procentdel af sollys og konvertere det til elektricitet mere effektivt, og lithium-ion-batterierne kan have brug for væsentligt kortere tid til at genoplade.

Brug af chiton-tændermodellen har en anden fordel:tekniske nanokrystaller kan dyrkes ved væsentligt lavere temperaturer, hvilket betyder betydeligt lavere produktionsomkostninger.

Mens Kisailus er fokuseret på solceller og lithium-ion-batterier, de samme teknikker kunne bruges til at udvikle alt fra materialer til bil- og flystel til slidstærkt tøj. Ud over, forståelse af dannelsen og egenskaberne af chitontænderne kan bidrage til at skabe bedre designparametre til bedre oliebor og tandbor.