Den naturliga strukturen som finns i löv kan förbättra prestandan för allt från laddningsbara batterier till högpresterande gassensorer, enligt ett internationellt team av forskare. Forskarna har designat en porös, såsom venerna på ett löv, och skulle kunna göra energiöverföringen mer effektiv. Materialet kan förbättra prestandan hos laddningsbara batterier, optimering av laddnings- och urladdningsprocessen och avlastning av spänningar i batterielektroderna, som, just nu, begränsa deras livslängd. Samma material kan användas för högpresterande gasavkänning eller för katalys för att bryta ner organiska föroreningar i vatten.

För att designa detta bioinspirerade material, ett internationellt team bestående av forskare från Kina, Storbritannien, USA och Belgien efterliknar regeln som kallas "Murrays lag" som hjälper naturliga organismer att överleva och växa. Enligt denna lag, hela nätverket av porer som finns på olika skalor i sådana biologiska system är sammankopplat på ett sätt som underlättar överföringen av vätskor och minimerar motståndet i hela nätverket. Växtens stjälkar av ett träd, eller bladvener, till exempel, optimera flödet av näringsämnen för fotosyntes med både hög effektivitet och minimal energiförbrukning genom att regelbundet förgrena sig till mindre skalor. På samma sätt, ytarean av luftstrupens porer hos insekter förblir konstant längs diffusionsvägen för att maximera tillförseln av koldioxid och syre i gasform.

Laget, ledd av Prof Bao-Lian Su, en livsmedlem i Clare Hall, University of Cambridge och som också är baserad vid Wuhan University of Technology i Kina och vid University of Namur i Belgien, anpassade Murrays lag för tillverkning av det första syntetiska "Murray-materialet" någonsin och tillämpade det på tre processer:fotokatalys, gasavkännande och litiumjonbatterielektroder. I varje, de fann att de flerskaliga porösa nätverken av deras syntetiska material avsevärt förbättrade prestandan för dessa processer.

Prof Su säger:

"Denna studie visar att genom att anpassa Murrays lag från biologi och tillämpa den på kemi, materialprestanda kan förbättras avsevärt. Anpassningen skulle kunna gynna ett brett utbud av porösa material och förbättra funktionell keramik och nanometaller som används för energi- och miljötillämpningar." "Införandet av begreppet Murrays lag i industriella processer kan revolutionera utformningen av reaktorer med hög effektivitet, minimal energi, tid, och råvarukonsumtion för en hållbar framtid."

Skriver in Naturkommunikation Denna vecka, laget beskriver hur det använde zinkoxid (ZnO) nanopartiklar som den primära byggstenen i deras Murray -material. Dessa nanopartiklar, innehåller små porer i dem, bildar den lägsta nivån av det porösa nätverket. Teamet arrangerade ZnO-partiklarna genom en lager-för-lager-avdunstning-driven självmonteringsprocess. Detta skapar en andra nivå av porösa nätverk mellan partiklarna. Under avdunstningsprocessen, partiklarna bildar också större porer på grund av lösningsmedelsavdunstning, som representerar den högsta nivån av porer, vilket resulterar i ett Murray-material i tre nivåer. Teamet tillverkade framgångsrikt dessa porösa strukturer med de exakta diameterförhållandena som krävs för att följa Murrays lag, möjliggör effektiv överföring av material över porenätet på flera nivåer.

Medförfattare, Dr Tawfique Hasan, från Cambridge Graphene Centre, en del av universitetets institution för teknik, lägger till:

"Denna allra första demonstration av en Murray-materialtillverkningsprocess är otroligt enkel och drivs helt av nanopartikelns självmontering. Storskalig tillverkning av detta porösa material är möjlig, gör det spännande, möjliggörande teknik, med potentiell påverkan i många applikationer. "

Med sitt syntetiska Murray-material, med exakta diameterförhållanden mellan pornivåerna, teamet visade en effektiv nedbrytning av ett organiskt färgämne i vatten genom att använda fotokatalys. Detta visade att det var lätt för färgen att komma in i det porösa nätverket, vilket ledde till effektiva och upprepade reaktionscykler. Teamet använde också samma Murray-material med en struktur som liknar insekternas andningsnätverk, för snabb och känslig gasdetektering med hög repeterbarhet.

Teamet bevisade att dess Murray-material avsevärt kan förbättra den långsiktiga stabiliteten och snabbladdnings-/urladdningskapaciteten för litiumjonlagring, med en kapacitetsförbättring på upp till 25 gånger jämfört med det senaste grafitmaterialet som för närvarande används i litiumjonbatterielektroder. Porernas hierarkiska karaktär minskar också spänningarna i dessa elektroder under laddnings-/urladdningsprocesserna, förbättrar deras strukturella stabilitet och resulterar i en längre livslängd för energilagringsenheter.

Teamet föreställer sig att strategin effektivt kan användas i materialdesigner för energi- och miljöapplikationer.