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美加州大學(xué)助理教授擬運(yùn)用石鱉牙齒提高光伏電池效率
美國(guó)加州大學(xué)伯恩斯工程學(xué)院助理教授David Kisailus正從生長(zhǎng)于加州海岸的石鱉牙齒中制造一種成本更低效率更高的納米級(jí)材料，以提高太陽(yáng)能電池與鋰離子電池的效率。
化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院的助理教授David Kisailus近期的研究論文詳細(xì)介紹了石鱉牙齒的成長(zhǎng)過(guò)程。該論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）雜志。聯(lián)合作者中有他當(dāng)前與曾經(jīng)的學(xué)生以及哈佛大學(xué)、查普曼大學(xué)（Chapman University）與美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）旗下的科學(xué)家。
該論文的重點(diǎn)研究對(duì)象為橡膠靴石鱉，這種石鱉在石鱉類群中體形最大，可達(dá)一英尺長(zhǎng)。它們生長(zhǎng)于縱橫加州中部與阿拉斯加（Alaska）州的太平洋。這類石鱉皮膚類似皮革，通常為紅褐色，偶爾也呈橘紅色?；诖?，人們給它起了一個(gè)昵稱：流浪的肉餅。
David Kisailus展示實(shí)驗(yàn)室中石鱉的內(nèi)部
隨著歷史的演變，石鱉逐漸進(jìn)化，通過(guò)一種名為“radula”的專業(yè)尖銳**來(lái)吃生長(zhǎng)于石頭表面或內(nèi)部夾縫的海藻。這個(gè)radula是位于石鱉嘴中類似傳送帶結(jié)構(gòu)的牙齒（約70至80排）。在進(jìn)食過(guò)程中，石鱉第一排牙齒用于磨碎石頭以觸及海藻。當(dāng)這排牙齒變得破損，新牙齒就隨即長(zhǎng)出。當(dāng)破損牙齒“光榮獻(xiàn)身”之后，新長(zhǎng)出的牙齒進(jìn)入“戰(zhàn)爭(zhēng)前線”以同樣的速度繼續(xù)“奮戰(zhàn)”。
Kisailus于五年前開(kāi)始研究石鱉，因?yàn)樗麑?duì)耐磨性與耐沖擊性材料非常感興趣。他運(yùn)用自然的靈感來(lái)設(shè)計(jì)下一代工程產(chǎn)品與材料。他曾確定石鱉的牙齒中含有地球上最堅(jiān)硬的生物礦物： 磁鐵礦（主要成分為四氧化三鐵）。正是這一物質(zhì)令石鱉的牙齒異常堅(jiān)固，并且?guī)в写判浴?/div>
在剛發(fā)布的名為《石鱉牙齒中的相變與結(jié)構(gòu)發(fā)展》論文中，Kisailus著手研究石鱉牙齒的堅(jiān)固程度以及齒形外部區(qū)域的磁場(chǎng)效應(yīng)。
他的論文通過(guò)三個(gè)步驟對(duì)此做出研究。首先，論文對(duì)位于纖維狀殼質(zhì)有機(jī)模版上的水化鐵氧化物（水鐵礦）晶體核做出研究。然后，這些納米晶體水鐵礦粒子通過(guò)固態(tài)相變轉(zhuǎn)換為磁性氧化鐵（俗稱磁鐵礦）。最后，磁鐵礦顆粒沿著有機(jī)纖維生長(zhǎng)，在成熟的牙齒中產(chǎn)生平行棒，以使牙齒堅(jiān)固。
Kisailus表示：“整個(gè)過(guò)程均在室溫以及環(huán)保環(huán)境下發(fā)生，這點(diǎn)難以置信。這令運(yùn)用類似戰(zhàn)略以成本效率的方式生產(chǎn)納米材料變得吸引力十足。”
Kisailus從這一生物礦化途徑中吸取靈感，嘗試在實(shí)驗(yàn)室中將之運(yùn)用進(jìn)太陽(yáng)能電池與鋰離子電池中。通過(guò)控制晶體的尺寸、形狀以及工程納米材料的方位，Kisailus認(rèn)為他可以建造令太陽(yáng)能電池與鋰離子電池運(yùn)作效率更高的材料。
換句話說(shuō)，太陽(yáng)能電池能夠捕捉更大比例的太陽(yáng)光，并且以更大的效率將之轉(zhuǎn)換為電力，而鋰離子電池則可以消耗更少的時(shí)間進(jìn)行充電。
Kisailus還表示，使用石鱉牙齒模式還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于工程納米晶體可在更低的溫度下生長(zhǎng)，那么制造成本能夠得以大幅削減。
雖然Kisailus的研究重心在太陽(yáng)能電池與鋰離子電池上，但同樣的科技亦可運(yùn)用于很多材料之中。例如汽車與飛機(jī)的制造材料以及耐磨性服裝。此外，了解石鱉牙齒的形成與性質(zhì)還有助于為石油鉆頭與牙科鉆頭創(chuàng)建更佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。
注：David Kisailus發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》雜志上的論文聯(lián)合作者分別為：Qianqian Wang、 Michiko Nemoto、 Dongsheng Li、Garrett W. Milliron、Brian Weden、Leslie R. Wood（前五位聯(lián)名作者均為UC Riverside在讀學(xué)生）、James C. Weaver（Kisailus的學(xué)生，目前任職于哈佛大學(xué)）、 John Stegemeier 、 Christopher S. Kim（這兩位任職于查普曼大學(xué)）以及Elaine DiMasi（任職于布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。（譯者：Krystal）