Csigafogak felhasználása elemek és napelemek fejlesztéséhez

David Kisailus, kémiai-, és környezetmérnöki tanársegéd legfrissebb felfedezései leírják, hogyan növekszik a bogárcsiga foga. Az eredményeket Január 16-án publikálták a Journal of Advanced Functional Materials-ban. A publikáció társszerzői néhány jelenlegi és korábbi tanítványa, valamint tudósok a Harvard University-ről, a Chapman University-ről Kaliforniából, és a Brookhaven National Laboratory – ból New Yorkból. A tanulmány a gumicsizmás bogárcsigára, a bogárcsigák legnagyobb fajára fókuszált, ami akár 36 centiméter hosszúra is megnőhet. Előfordulnak a Csendes-óceán partjain Közép – Kaliforniától Alaszkáig. Bőrszerű, általában bordós-barna, ritkábban narancsszínű héjuk van, ezért nevezik őket „vándorló fasírozottnak” is. Az idők során a bogárcsigák a sziklákon és belsejükben növekvő algák elfogyasztására egy radulának nevezett speciális szervet növesztettek, ami egy futószalag-szerű struktúra a szájnyílásukban, ami 70-80 párhuzamos fogsort tartalmaz. A táplálkozás során az első néhány fogsor szerepe, hogy megőröljék a szikladarabokat, hogy az állat az algához jusson.

Ebben a fogak folyamatosan elhasználódnak, de az új fogak folyamatosan termelődnek, és lépnek be a „kopási zónába”, éppen olyan ütemben, ahogy az előző fogak kihullanak.
Kisailus, aki a természetet újszerű anyagok és termékek konstruálásához való inspirációként tekinti, a bogárcsigák tanulmányozását öt évvel ezelőtt kezdte, mert érdeklődött a kopás, és az ütközésnek ellenálló anyagok iránt. Korábban meghatározta, hogy a bogárcsiga-fog tartalmazza a legkeményebb Földön ismert bio ásványt, a magnetitot, ami az a kulcsfontosságú ásvány, ami nem csak keménnyé, de mágnesessé is teszi a fogat.

A publikált értekezésben, „Fázisátalakulások és szerkezeti fejlődés a Cryptochyton stelleri raduláris fogazatában” Kisailus célja az volt, hogy meghatározza, hogyan alakul ki a fog kemény és mágneses külső régiója. A munkája feltárta, hogy ez három lépésben történik. Eleinte kristályos vas-oxid (ferrihidrit) kristályok képeznek gócokat egy szálszerű kitines (összetett cukor) összefüggő mintára. Ezek a nanokristályos ferrihidrit részecskék alakulnak egy mágneses vas-oxiddá (magnetit) egy szilárdfázisú átalakuláson keresztül. Végül a magnetit részecskék növekednek az összefüggő szálak mentén, a kifejlett fogakat keménnyé és ellenállóvá tevő párhuzamos csöveket alkotva. „Hihetetlen módon, ez az egész szobahőmérsékleten és kellemes környezeti körülmények között történik”, mondja Kisailus. „Ez teszi olyan vonzóvá a hasonló stratégiák felhasználását a költséghatékonyabb nanoanyag – gyártás területén”. Kisailus laboratóriumában ennek a biomineralizációs folyamatnak a tanulságaiból merít, hogy lítium-ion elemekben és napelemekben használt ásványok növekedését irányítsa.

Úgy hiszi, hogy a nanoanyagok tervezése során a kristályok méretének, formájának és orientációjának megválasztásával olyan anyagokat képes létrehozni, amik a lítium-ion elemek és napelemek hatékonyabb működését teszik majd lehetővé. Másképpen, a napelemek a napfényt nagyobb százalékban lesznek képesek befogni, és elektromossággá alakítani, a lítium-ion elemeknek pedig jóval kevesebb idő kell majd az újratöltődéshez. A csigafog szerkezet-modelljének van még egy előnye: a nanokristályok fejlesztése így jóval alacsonyabb hőmérsékleten mehet végbe, ami jóval alacsonyabb termelési költséget is jelent. Amíg Kisailus napelemekkel és lítium-ion elemekkel foglalkozik, a hasonló eljárások felhasználhatóak az autó-, és repülőgépvázaktól kezdve akár kopásálló ruházat fejlesztéséig is. Ráadásul, a bogárcsiga- fogak kialakulásának és tulajdonságainak megértése segíthet az olajfúrók és fogászati fúrófejek kedvezőbb tervezési paramétereinek megalkotásában, ezáltal jobb fúrók előállításában.