(Phys.org) — Een assistent-professor aan de Universiteit van Californië, Riverside's Bourns College of Engineering gebruikt de tanden van een zeeslak die voor de kust van Californië is gevonden om goedkopere en efficiëntere materialen op nanoschaal te maken om zonnecellen en lithium-ionbatterijen te verbeteren.

De meest recente bevindingen van David Kisailus, een assistent-professor chemische en milieutechniek, beschrijft hoe de tanden van chiton groeien. De paper is vandaag (16 januari) gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Het was co-auteur van verschillende van zijn huidige en voormalige studenten en wetenschappers aan de Harvard University in Cambridge Mass., Chapman Universiteit in Oranje, Californië en Brookhaven National Laboratory in Upton, NY.

Het papier is gericht op de gumboot chiton, het grootste type chiton, die tot een voet lang kan zijn. Ze zijn te vinden langs de kusten van de Stille Oceaan van centraal Californië tot Alaska. Ze hebben een leerachtige bovenhuid, die meestal roodbruin en soms oranje is, waardoor sommigen het de bijnaam 'zwervend gehaktbrood' gaven.

Overuren, chitons zijn geëvolueerd om algen te eten die op en in rotsen groeien met behulp van een gespecialiseerd rasporgaan genaamd een radula, een lopende bandachtige structuur in de mond die 70 tot 80 parallelle rijen tanden bevat. Tijdens het voedingsproces de eerste paar rijen tanden worden gebruikt om steen te malen om bij de algen te komen. Ze raken versleten, maar er worden continu nieuwe tanden geproduceerd en komen in de "slijtagezone" in hetzelfde tempo als tanden worden afgeworpen.

Kisailus, die de natuur als inspiratiebron gebruikt om technische producten en materialen van de volgende generatie te ontwerpen, begon vijf jaar geleden met het bestuderen van chitons omdat hij geïnteresseerd was in slijtvaste en slagvaste materialen. Hij heeft eerder vastgesteld dat de chitontanden het hardste biomineraal bevatten dat op aarde bekend is, magnetiet, dat is het belangrijkste mineraal dat niet alleen de tand hard maakt, maar ook magnetisch.

In de zojuist verschenen krant "Fasetransformaties en structurele ontwikkelingen in de radulaire tanden van Cryptochiton stelleri , " Kisailus ging op zoek om te bepalen hoe het harde en magnetische buitenste gebied van de tand zich vormt.

Zijn werk onthulde dat dit in drie stappen gebeurt. aanvankelijk, gehydrateerde ijzeroxide (ferrihydriet) kristallen kiemen op een vezelachtige chitineuze (complexe suiker) organische sjabloon. Deze nanokristallijne ferrihydrietdeeltjes worden omgezet in een magnetisch ijzeroxide (magnetiet) via een transformatie in vaste toestand. Eindelijk, de magnetietdeeltjes groeien langs deze organische vezels, waardoor parallelle staven binnen de volwassen tanden die ze zo hard en taai maken.

"Ongelooflijk, dit alles gebeurt bij kamertemperatuur en onder milieuvriendelijke omstandigheden, "Zei Kisailus. "Dit maakt het aantrekkelijk om vergelijkbare strategieën te gebruiken om nanomaterialen op een kosteneffectieve manier te maken."

Kisailus gebruikt de lessen die uit dit biomineralisatiepad zijn geleerd als inspiratie in zijn laboratorium om de groei van mineralen die worden gebruikt in zonnecellen en lithium-ionbatterijen te begeleiden. Door de kristalgrootte te regelen, vorm en oriëntatie van technische nanomaterialen, hij gelooft dat hij materialen kan bouwen waarmee de zonnecellen en lithium-ionbatterijen efficiënter kunnen werken. Met andere woorden, de zonnecellen zullen een groter percentage zonlicht kunnen opvangen en dit efficiënter in elektriciteit kunnen omzetten en de lithium-ionbatterijen zouden aanzienlijk minder tijd nodig hebben om op te laden.

Het gebruik van het chiton-tandenmodel heeft nog een ander voordeel:technische nanokristallen kunnen bij aanzienlijk lagere temperaturen worden gekweekt, wat aanzienlijk lagere productiekosten betekent.

Terwijl Kisailus zich richt op zonnecellen en lithium-ionbatterijen, dezelfde technieken kunnen worden gebruikt om alles te ontwikkelen, van materialen voor auto- en vliegtuigframes tot slijtvaste kleding. In aanvulling, het begrijpen van de vorming en eigenschappen van de chitontanden zou kunnen helpen om betere ontwerpparameters te creëren voor betere olieboren en tandboren.