(Phys.org) - En biträdande professor vid University of California, Riversides Bourns College of Engineering använder tänderna på en marin snigel som finns utanför Kaliforniens kust för att skapa billigare och mer effektiva nanoskala material för att förbättra solceller och litiumjonbatterier.

De senaste fynden av David Kisailus, en biträdande professor i kemi- och miljöteknik, detaljer om hur tänderna på chiton växer. Tidningen publicerades idag (16 januari) i tidskriften Avancerade funktionella material . Den var medförfattare av flera av hans nuvarande och tidigare studenter och forskare vid Harvard University i Cambridge Mass., Chapman University i Orange, Kalifornien och Brookhaven National Laboratory i Upton, NY.

Tidningen är fokuserad på gumboot chiton, den största typen av chiton, som kan vara upp till en fot lång. De finns längs Stilla havets stränder från centrala Kalifornien till Alaska. De har en läderartad överhud, som vanligtvis är rödbrun och ibland orange, vilket leder till att vissa ger den smeknamnet "vandrande köttfärslimpa".

Över tid, chitoner har utvecklats för att äta alger som växer på och inom stenar med hjälp av ett specialiserat rasporgan som kallas radula, en transportbandliknande struktur i munnen som innehåller 70 till 80 parallella tänderader. Under utfodringsprocessen, de första tänderna används för att slipa sten för att komma till algerna. De blir slitna, men nya tänder produceras kontinuerligt och kommer in i "nötningszonen" i samma takt som tänderna fälls.

Kisailus, som använder naturen som inspiration för att designa nästa generations tekniska produkter och material, började studera chiton för fem år sedan eftersom han var intresserad av nötnings- och slagtåliga material. Han har tidigare bestämt att chitontänderna innehåller det hårdaste biomineral som är känt på jorden, magnetit, som är nyckelmineralet som inte bara gör tanden hård, men också magnetisk.

I den nyss publicerade tidningen, "Fasomvandlingar och strukturella utvecklingar i radulära tänder Cryptochiton stelleri , "Kisailus satte sig för att bestämma hur den hårda och magnetiska yttre delen av tanden bildas.

Hans arbete avslöjade att detta sker i tre steg. Initialt, hydratiserade järnoxid (ferrihydrit) kristaller kärnbildar på en fiberliknande kitin (komplex socker) organisk mall. Dessa nanokristallina ferrihydritpartiklar omvandlas till en magnetisk järnoxid (magnetit) genom en solid-state-transformation. Till sist, magnetitpartiklarna växer längs dessa organiska fibrer, ger parallella stavar inom de mogna tänderna som gör dem så hårda och sega.

"Otroligt, allt detta sker vid rumstemperatur och under miljövänliga förhållanden, ", sa Kisailus. "Detta gör det tilltalande att använda liknande strategier för att göra nanomaterial på ett kostnadseffektivt sätt."

Kisailus använder lärdomarna från denna biomineraliseringsväg som inspiration i sitt labb för att styra tillväxten av mineraler som används i solceller och litiumjonbatterier. Genom att kontrollera kristallstorleken, form och orientering av tekniska nanomaterial, han tror att han kan bygga material som gör att solcellerna och litiumjonbatterierna kan fungera mer effektivt. Med andra ord, solcellerna kommer att kunna fånga en större andel solljus och omvandla det till elektricitet mer effektivt och litiumjonbatterierna kan behöva betydligt kortare tid att ladda om.

Att använda chitontänderna har en annan fördel:Nanokristaller kan odlas vid betydligt lägre temperaturer, vilket innebär betydligt lägre produktionskostnader.

Medan Kisailus fokuserar på solceller och litiumjonbatterier, samma tekniker skulle kunna användas för att utveckla allt från material för bil- och flygplansramar till nötningsbeständiga kläder. Dessutom, att förstå bildningen och egenskaperna hos chitontänderna kan bidra till att skapa bättre designparametrar för bättre oljeborr och dentalborr.