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仿生学研究改进太阳能电池和锂离子电池性能

已有 6595 次阅读 2013-1-18 09:47 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯| 太阳能电池, 仿生学, 石鳖牙齿

 

据《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)网站2013116发表的美国加州大学(University of California) 河畔伯恩斯工程学院(Riverside's Bourns College of Engineering)的助理教授David Kisailus等人与美国加州大学材料科学与工程项目组、先进显微镜和显微分析设备中心的研究人员合作研究,使用一种在加利福尼亚海岸发现的海生蜗牛的牙齿,建立了成本低和更高效的纳米尺寸的材料来提高太阳能电池和锂离子电池的转化效率。参加此项研究的还有哈佛大学Wyss生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University)、查普曼大学地球与环境科学学院(School of Earth and Environmental Sciences, Chapman University以及布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)美国国家同步光源研究组的科学家。这篇论文的焦点在于研究橡胶靴石鳖,这是一种最大类型的石鳖,它可以达到一英尺长。研究人员沿着太平洋沿岸海洋从加州中部到阿拉斯加发现了这种橡胶靴石鳖。它们具有一种类似于皮革的皮肤,通常是红褐色而且偶尔的也会出现橙色,所以给它起了一个绰号——徘徊之肉饼(wandering meatloaf)。随着时间的推移,石鳖已经进化到用齿舌吃生长在岩石上和岩石内的藻类,齿舌就像是口腔中具有带状结构的输送机,包含了7080个并行排列的牙齿。在吃食的过程中,前几排牙齿是用来研磨得到的藻类。由于其受到磨损,但是新的牙齿不断产生和进入到磨损区与牙齿脱落的速度是一样的。David Kisailus以自然现象作为灵感设计下一代工程产品和材料,五年前就开始研究石鳖,因为他对耐磨材料和抗冲击材料很感兴趣。他先前一直认为,石鳖的牙齿包含了地球上已知的最硬的生物矿物磁铁矿,这是关键矿物,不仅使牙齿坚硬,而且具有磁性。在发表的文章中以Cryptochiton stelleri的齿舌牙齿的相转换和结构发育(Phase Transformations and Structural Developments in the Radular Teeth of Cryptochiton Stelleri)为论文标题进行了论述。

石鳖牙齿的形成机理和特殊性能是令人难以置信的,因为所有这一切均在室温和环境条件下发生的,科研人员正是受到这种自然现象的启发,利用类似的策略来制造符合成本效益的纳米材料。David Kisailus等人他们汲取来自石鳖牙齿形成的生物矿化经验教训,在实验室来引导用于太阳能电池和锂离子电池的矿物质的形成和生长。通过控制工程纳米材料的晶体大小、形状和方向, David Kisailus坚信自己能够制备出使太阳能电池和锂离子电池更加高效运作的合适材料。换句话说,太阳能电池能够捕获更大比例的阳光,将光能更有效地转换成电能,使锂离子电池的充电时间可能会变得更短一些,使快速充电成为可能。使用石鳖牙齿模型的另一个优势就是工程纳米晶体的生长温度可以显著降低,这意味着将会显著降低生产成本。虽然David Kisailus目前的研究主要集中在太阳能电池和锂离子电池方面,但是同样的技术也可以用于开发适合汽车和飞机使用的耐磨材料。此外,理解石鳖牙齿的形成和性质,可以帮助我们为创建更好的石油钻头和牙科钻头提供设计参数。



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