Bioinspireret materialepotentiale for effektiv masseoverførsel boostet af et nyt twist på en århundredgammel teori

Den naturlige venestruktur, der findes i blade – som har inspireret det strukturelle design af porøse materialer, der kan maksimere masseoverførsel – kunne låse op for forbedringer i energilagring, katalyse og sansning takket være et nyt twist på en århundrede gammel biofysisk lov.

Et internationalt team af forskere, ledet af NanoEngineering Group ved Cambridge Graphene Centre, har udviklet en ny materialeteori baseret på "Murray's Law", der gælder for en bred vifte af næste generations funktionelle materialer, med anvendelser i alt fra genopladelige batterier til højtydende gassensorer. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Nature Communications .

Murrays lov, fremsat af Cecil D. Murray i 1926, beskriver, hvordan naturlige vaskulære strukturer, såsom dyreblodkar og -årer i planteblade, effektivt transporterer væsker med minimalt energiforbrug.

"Men mens denne traditionelle teori virker for cylindriske porestrukturer, kæmper den ofte for syntetiske netværk med forskellige former - lidt ligesom at prøve at passe en firkantet pind ind i et rundt hul," siger førsteforfatter Cambridge Ph.D. studerende Binghan Zhou.

Kaldet "Universal Murray's Law", forskernes nye teori bygger bro mellem biologiske kar og kunstige materialer og forventes at gavne energi- og miljøapplikationer.

"Den oprindelige Murrays lov blev formuleret ved at minimere energiforbruget for at opretholde det laminære flow i blodkar, men den var uegnet til syntetiske materialer," siger Zhou.

"For at udvide dens anvendelighed til syntetiske materialer udvidede vi denne lov ved at overveje strømningsmodstanden i hierarkiske kanaler. Vores foreslåede Universal Murrays lov fungerer for porerne af enhver form og passer til alle almindelige overføringstyper, herunder laminær strømning, diffusion og ionisk migration ."

Lige fra daglig brug til industriel produktion involverer mange applikationer ion- eller masseoverførselsprocesser gennem meget porøse materialer - applikationer, der kunne drage fordel af Universal Murrays lov, siger forskerne.

For eksempel, når man oplader eller aflader batterier, bevæger ioner sig fysisk mellem elektroderne gennem en porøs barriere. Gassensorer er afhængige af diffusion af gasmolekyler gennem porøse materialer. Kemiske industrier bruger ofte katalytiske reaktioner, der involverer laminær strøm af reaktanter gennem katalysatorer.

"Anvendelse af denne nye biofysiske lov kan i høj grad reducere strømningsmodstanden i ovenstående processer, hvilket øger den samlede effektivitet," tilføjer Zhou.

Forskerne beviste deres teori ved hjælp af graphene aerogel, et materiale kendt for sin ekstraordinære porøsitet. De varierede omhyggeligt porestørrelserne og -formerne ved at kontrollere væksten af ​​iskrystaller i materialet. Deres eksperimenter viste, at de mikroskopiske kanaler efter den nyligt foreslåede Universal Murrays lov tilbyder minimal modstand mod væskestrøm, mens afvigelser fra denne lov øger strømningsmodstanden.

"Vi designede en nedskaleret hierarkisk model til numerisk simulering og fandt ud af, at simple formændringer efter den foreslåede lov faktisk reducerer strømningsmodstanden," siger medforfatter Dongfang Liang, professor i hydrodynamik ved Institut for Ingeniørvidenskab.

Holdet demonstrerede også den praktiske værdi af Universal Murrays lov ved at optimere en porøs gassensor. Sensoren, der er designet i overensstemmelse med loven, viser en markant hurtigere respons sammenlignet med sensorer, der følger et porøst hierarki, der traditionelt anses for at være yderst effektiv.

"Den eneste forskel mellem de to strukturer er en lille variation i form, der viser kraften og den nemme anvendelse af vores foreslåede lov," siger Zhou.

"Vi har inkorporeret denne særlige naturlov i syntetiske materialer," tilføjer Tawfique Hasan, professor i nanoteknik ved Cambridge Graphene Centre, som ledede forskningen. "Dette kan være et vigtigt skridt i retning af teoristyret strukturelt design af funktionelle porøse materialer. Vi håber, at vores arbejde vil være vigtigt for den nye generation af porøse materialer og bidrage til anvendelser for en bæredygtig fremtid."

Flere oplysninger: Binghan Zhou et al, Universal Murrays lov for optimeret væsketransport i syntetiske strukturer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47833-0. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.16567

Journaloplysninger: Nature Communications , arXiv

Leveret af University of Cambridge