_ Materiale bio-inspirate potențialul de transfer de masă eficient, stimulat de o nouă întorsătură a unei teorii veche de un secol

Structura naturală a venelor găsită în frunze – care a inspirat designul structural al materialelor poroase care pot maximiza transferul de masă – ar putea debloca îmbunătățiri în stocarea energiei, cataliză și detectare datorită unei noi întorsături a unei legi biofizice veche de un secol.

O echipă internațională de cercetători, condusă de NanoEngineering Group de la Cambridge Graphene Centre, a dezvoltat un nou material teorie bazată pe „Legea lui Murray”, aplicabilă unei game largi de materiale funcționale de ultimă generație, cu aplicații în orice, de la baterii reîncărcabile la senzori de gaz de înaltă performanță. Descoperirile sunt raportate în revista Nature Communications.

Legea lui Murray, prezentată de Cecil D. Murray în 1926, descrie modul în care structurile vasculare naturale, cum ar fi vasele de sânge și venele animalelor din frunzele plantelor, transportă eficient fluidele. cu cheltuieli minime de energie.

„Dar în timp ce această teorie tradițională funcționează pentru structurile porilor cilindrici, adesea se luptă pentru rețele sintetice cu forme diverse – un pic ca încercarea de a potrivi un cuier pătrat într-o gaură rotundă”, spune primul autor Cambridge Ph.D. studentul Binghan Zhou.

Denumită „Legea lui Murray universală”, noua teorie a cercetătorilor face legătura între vasele biologice și materialele artificiale și se așteaptă să beneficieze de aplicațiile energetice și de mediu.

” Legea lui Murray inițială a fost formulată prin reducerea la minimum a consumului de energie pentru a menține fluxul laminar în vasele de sânge, dar nu era potrivită pentru materiale sintetice”, spune Zhou.

„Pentru a extinde aplicabilitatea la materialele sintetice, ne-am extins. această lege, luând în considerare rezistența la curgere în canalele ierarhice Legea universală Murray propusă de noi funcționează pentru porii de orice formă și se potrivește tuturor tipurilor de transfer obișnuite, inclusiv fluxul laminar, difuzia și migrația ionică.”

De la. Utilizarea zilnică la producția industrială, multe aplicații implică procese de transfer de ioni sau de masă prin materiale extrem de poroase - aplicații care ar putea beneficia de Legea lui Universal Murray, spun cercetătorii.

De exemplu, la încărcarea sau descărcarea bateriilor, ionii fizic se deplasează între electrozi printr-o barieră poroasă. Senzorii de gaz se bazează pe difuzia moleculelor de gaz prin materiale poroase. Industriile chimice folosesc adesea reacții catalitice, care implică fluxul laminar de reactanți prin catalizatori.

„Folosirea acestei noi legi biofizice ar putea reduce foarte mult rezistența la curgere în procesele de mai sus, sporind eficiența generală”, adaugă Zhou.

Cercetătorii și-au dovedit teoria folosind aerogel de grafen, un material cunoscut pentru porozitatea sa extraordinară. Au variat cu atenție dimensiunile și formele porilor controlând creșterea cristalelor de gheață din material. Experimentele lor au arătat că canalele microscopice care urmează legea lui Murray universală recent propusă oferă o rezistență minimă împotriva curgerii fluidului, în timp ce abaterile de la această lege măresc rezistența la curgere.

„Am proiectat un model ierarhic la scară redusă pentru simularea numerică. și a constatat că modificările simple de formă în urma legii propuse reduc într-adevăr rezistența la curgere”, spune coautorul Dongfang Liang, profesor de hidrodinamică la Departamentul de Inginerie.

Echipa a demonstrat, de asemenea, valoarea practică a lui Universal Murray. Legea prin optimizarea unui senzor de gaz poros. Senzorul, proiectat în conformitate cu legea, prezintă un răspuns semnificativ mai rapid în comparație cu senzorii care urmează o ierarhie poroasă, considerată în mod tradițional a fi foarte eficient.

„Singura diferență dintre cele două structuri este o uşoară variaţie a forma, arătând puterea și ușurința de aplicare a Legii propuse”, spune Zhou.

„Am încorporat această lege naturală specială în materialele sintetice”, adaugă Tawfique Hasan, profesor de Nanoinginerie la Cambridge Graphene Centre, care a condus cercetarea. „Acesta ar putea fi un pas important către proiectarea structurală ghidată de teorie a materialelor poroase funcționale. Sperăm că munca noastră va fi importantă pentru materialele poroase de nouă generație și va contribui la aplicații pentru un viitor durabil.”

(Fluierul)