Den naturliga venstrukturen som finns i bladen – som har inspirerat den strukturella designen av porösa material som kan maximera massöverföringen – skulle kunna låsa upp förbättringar av energilagring, katalys och avkänning tack vare en ny vändning på en hundraårig biofysisk lag.
Ett internationellt team av forskare, ledda av NanoEngineering Group vid Cambridge Graphene Centre, har utvecklat en ny materialteori baserad på "Murray's Law", tillämplig på ett brett utbud av nästa generations funktionella material, med tillämpningar i allt från laddningsbara batterier till högpresterande gassensorer. Resultaten rapporteras i tidskriften Nature Communications .
Murrays lag, som lades fram av Cecil D. Murray 1926, beskriver hur naturliga kärlstrukturer, såsom djurens blodkärl och vener i växtblad, effektivt transporterar vätskor med minimal energiförbrukning.
"Men medan denna traditionella teori fungerar för cylindriska porstrukturer, kämpar den ofta för syntetiska nätverk med olika former - lite som att försöka passa in en fyrkantig pinne i ett runt hål", säger första författaren Cambridge Ph.D. student Binghan Zhou.
Med namnet "Universal Murray's Law" överbryggar forskarnas nya teori gapet mellan biologiska kärl och konstgjorda material och förväntas gynna energi- och miljötillämpningar.
"Den ursprungliga Murrays lag formulerades genom att minimera energiförbrukningen för att upprätthålla det laminära flödet i blodkärlen, men den var olämplig för syntetiska material", säger Zhou.
"För att bredda dess tillämpbarhet på syntetiska material utökade vi denna lag genom att överväga flödesmotståndet i hierarkiska kanaler. Vår föreslagna Universal Murrays lag fungerar för porerna av alla former och passar alla vanliga överföringstyper, inklusive laminärt flöde, diffusion och jonisk migration ."
Allt från daglig användning till industriell produktion, många tillämpningar involverar jon- eller massöverföringsprocesser genom mycket porösa material – tillämpningar som kan dra nytta av Universal Murrays lag, säger forskarna.
Till exempel, vid laddning eller urladdning av batterier, rör sig joner fysiskt mellan elektroderna genom en porös barriär. Gassensorer är beroende av diffusion av gasmolekyler genom porösa material. Kemiska industrier använder ofta katalytiska reaktioner, som involverar laminärt flöde av reaktanter genom katalysatorer.
"Att använda denna nya biofysiska lag kan avsevärt minska flödesmotståndet i ovanstående processer, vilket ökar den totala effektiviteten", tillägger Zhou.
Forskarna bevisade sin teori med hjälp av grafenaerogel, ett material känt för sin extraordinära porositet. De varierade noggrant porstorlekarna och formerna genom att kontrollera tillväxten av iskristaller i materialet. Deras experiment visade att de mikroskopiska kanalerna som följer den nyligen föreslagna Universal Murrays lag erbjuder minimalt motstånd mot vätskeflöde, medan avvikelser från denna lag ökar flödesmotståndet.
"Vi designade en nedskalad hierarkisk modell för numerisk simulering och fann att enkla formförändringar efter den föreslagna lagen verkligen minskar flödesmotståndet", säger medförfattare Dongfang Liang, professor i hydrodynamik vid Institutionen för teknik.
Teamet visade också det praktiska värdet av Universal Murrays lag genom att optimera en porös gassensor. Sensorn, designad i enlighet med lagen, visar en betydligt snabbare respons jämfört med sensorer som följer en porös hierarki, som traditionellt anses vara mycket effektiv.
"Den enda skillnaden mellan de två strukturerna är en liten variation i form, vilket visar kraften och enkla tillämpningen av vår föreslagna lag", säger Zhou.
"Vi har införlivat denna speciella naturlag i syntetiska material", tillägger Tawfique Hasan, professor i nanoteknik vid Cambridge Graphene Centre, som ledde forskningen. "Detta kan vara ett viktigt steg mot teoristyrd strukturell design av funktionella porösa material. Vi hoppas att vårt arbete kommer att vara viktigt för den nya generationens porösa material och bidra till tillämpningar för en hållbar framtid."
Mer information: Binghan Zhou et al, Universal Murrays lag för optimerad vätsketransport i syntetiska strukturer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47833-0. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.16567
Journalinformation: Nature Communications , arXiv
Tillhandahålls av University of Cambridge
