2024-05-08 12:17 来源：得道网
在树叶中发现的天然脉状结构——它启发了多孔材料的结构设计，可以最大限度地提高质量传递——可以解开能量储存、催化和传感方面的改进，这要归功于一个世纪以来的生物物理定律的新转折。
由剑桥石墨烯中心纳米工程小组领导的一个国际研究小组，基于“默里定律”开发了一种新的材料理论，适用于广泛的下一代功能材料，应用于从可充电电池到高性能气体传感器的所有领域。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
1926年，塞西尔·d·默里(Cecil D. Murray)提出了默里定律(Murray’s Law)，该定律描述了自然血管结构，如动物血管和植物叶片中的静脉，如何以最小的能量消耗有效地输送液体。
“但是，尽管这种传统理论适用于圆柱形孔结构，但它往往难以适用于各种形状的合成网络——有点像试图将方形钉子塞进圆孔，”第一作者剑桥大学博士生周冰涵说。
研究人员的新理论被称为“通用默里定律”，它弥合了生物容器和人工材料之间的差距，有望在能源和环境应用中受益。
“最初的默里定律是通过最小化能量消耗来维持血管中的层流来制定的，但它不适合合成材料，”周说。
“为了扩大其对合成材料的适用性，我们通过考虑分层通道中的流动阻力来扩展这一定律。我们提出的通用默里定律适用于任何形状的孔隙，适用于所有常见的转移类型，包括层流、扩散和离子迁移。”
研究人员说，从日常使用到工业生产，许多应用都涉及到通过高多孔材料的离子或质传递过程——这些应用可能受益于默里定律。
例如，当电池充电或放电时，离子通过多孔屏障在电极之间物理移动。气体传感器依靠气体分子通过多孔材料的扩散。化学工业经常使用催化反应，涉及反应物通过催化剂的层流。
“采用这种新的生物物理定律可以大大减少上述过程中的流动阻力，提高整体效率，”周补充说。
研究人员用石墨烯气凝胶证明了他们的理论，这种材料以其非凡的孔隙度而闻名。他们通过控制材料中冰晶的生长，仔细地改变了孔的大小和形状。他们的实验表明，遵循新提出的通用默里定律的微观通道对流体流动的阻力最小，而偏离该定律则会增加流动阻力。
“我们设计了一个按比例缩小的分层模型进行数值模拟，发现简单的形状变化遵循所提出的规律确实减少了流动阻力，”合著者梁东方说，工程系流体动力学教授。
该团队还通过优化多孔气体传感器展示了通用默里定律的实用价值。与传统上被认为是高效的多孔结构传感器相比，根据该定律设计的传感器的响应速度要快得多。
周说:“两种结构之间的唯一区别是形状上的轻微变化，这表明了我们提出的法律适用的力量和便利性。”
领导这项研究的剑桥石墨烯中心纳米工程教授Tawfique Hasan补充说:“我们已经将这种特殊的自然规律融入到合成材料中。”“这可能是朝着理论指导功能多孔材料结构设计迈出的重要一步。我们希望我们的工作对新一代多孔材料具有重要意义，并为可持续未来的应用做出贡献。”
更多信息:周炳汉等人，合成结构中优化流体输运的通用默里定律，《自然通讯》(2024)。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 47833 - 0。关于arXiv: DOI: 10.48550/ arXiv .2309.16567
剑桥大学提供
引用本文:生物启发材料的高效传质潜力被一个百年理论的新转变所提升(2024,5月7日)，2024年5月7日检索自https://phys.org/news/2024-05-bio-materials-potential-efficient-mass.html
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