Potenzial bioinspirierter Materialien für einen effizienten Massentransfer, verstärkt durch eine neue Version einer jahrhundertealten Theorie

Die natürliche Aderstruktur in Blättern, die als Inspiration für das Strukturdesign poröser Materialien diente, die den Stofftransport maximieren können, könnte durch eine neue Wendung eines jahrhundertealten biophysikalischen Gesetzes zu Verbesserungen bei der Energiespeicherung, Katalyse und Wahrnehmung führen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der NanoEngineering Group am Cambridge Graphene Centre hat eine neue Materialtheorie entwickelt, die auf dem „Murray-Gesetz“ basiert und auf ein breites Spektrum funktionaler Materialien der nächsten Generation anwendbar ist, mit Anwendungen in allen Bereichen, von wiederaufladbaren Batterien bis hin zu leistungsstarken Gassensoren. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet Natürliche Kommunikation.

Murrays Gesetz, 1926 von Cecil D. Murray vorgeschlagen, beschreibt, wie natürliche Gefäßstrukturen, wie die Blutgefäße von Tieren und die Blattadern von Pflanzen, Flüssigkeiten effizient und mit minimalem Energieaufwand transportieren.

„Aber während diese traditionelle Theorie für zylindrische Porenstrukturen funktioniert, ist es oft schwierig, synthetische Netzwerke verschiedener Formen zu erzeugen, ähnlich wie der Versuch, einen quadratischen Stift in ein rundes Loch zu stecken“, erklärt der Erstautor, der Cambridge-Doktorand Binghan Zhou.

Die neue Theorie der Forscher mit dem Spitznamen „Murrays universelles Gesetz“ schließt die Lücke zwischen biologischen Gefäßen und künstlichen Materialien und dürfte Energie- und Umweltanwendungen zugute kommen.

„Das ursprüngliche Murray-Gesetz wurde formuliert, indem der Energieverbrauch minimiert wurde, um die laminare Strömung in Blutgefäßen aufrechtzuerhalten, aber es war nicht für synthetische Materialien geeignet“, sagt Zhou.

„Um seine Anwendbarkeit auf synthetische Materialien zu erweitern, haben wir dieses Gesetz erweitert, indem wir den Strömungswiderstand in hierarchischen Kanälen berücksichtigt haben. Das von uns vorgeschlagene universelle Murray-Gesetz gilt für Poren jeder Form und ist für alle Arten von Transferströmen geeignet, einschließlich laminarer Strömung, Diffusion und.“ Ionenwanderung.

Vom alltäglichen Gebrauch bis zur industriellen Produktion umfassen viele Anwendungen Ionen- oder Stofftransferprozesse durch hochporöse Materialien – Anwendungen, die vom universellen Murray-Gesetz profitieren könnten, sagen die Forscher.

Wenn beispielsweise Batterien geladen oder entladen werden, bewegen sich Ionen physisch durch eine poröse Barriere zwischen den Elektroden. Gassensoren basieren auf der Diffusion von Gasmolekülen durch poröse Materialien. In der chemischen Industrie kommen häufig katalytische Reaktionen zum Einsatz, bei denen die Reaktanten laminar durch Katalysatoren strömen.

„Die Nutzung dieses neuen biophysikalischen Gesetzes könnte den Strömungswiderstand in den oben genannten Prozessen deutlich reduzieren und so die Gesamteffizienz erhöhen“, fügt Zhou hinzu.

Die Forscher bewiesen ihre Theorie anhand von Graphen-Aerogel, einem Material, das für seine außergewöhnliche Porosität bekannt ist. Sie variierten sorgfältig die Größe und Form der Poren, indem sie das Wachstum von Eiskristallen im Material kontrollierten. Ihre Experimente zeigten, dass mikroskopisch kleine Kanäle, die Murrays neuem universellen Gesetz folgen, dem Flüssigkeitsfluss nur einen minimalen Widerstand entgegensetzen, während Abweichungen von diesem Gesetz den Strömungswiderstand erhöhen.

„Wir haben ein reduziertes hierarchisches Modell für die numerische Simulation entworfen und festgestellt, dass einfache Formänderungen, die dem vorgeschlagenen Gesetz folgen, den Strömungswiderstand effektiv reduzieren“, sagt Co-Autor Dongfang Liang, Professor für Hydrodynamik am Department of Energy.

Das Team demonstrierte auch den praktischen Wert von Murrays universellem Gesetz, indem es einen porösen Gassensor optimierte. Der gesetzeskonform konzipierte Sensor reagiert deutlich schneller als Sensoren mit poröser Hierarchie, die traditionell als sehr effizient gelten.

„Der einzige Unterschied zwischen den beiden Strukturen besteht in einer leichten Abweichung in der Form, was die Leistungsfähigkeit und einfache Anwendung unseres vorgeschlagenen Gesetzes zeigt“, erklärt Zhou.

„Wir haben dieses besondere Naturgesetz in synthetische Materialien integriert“, fügt Tawfique Hasan hinzu, Professorin für Nanotechnik am Cambridge Graphene Centre, die die Forschung leitete. „Dies könnte ein wichtiger Schritt in Richtung eines theoriegeleiteten Strukturdesigns funktioneller poröser Materialien sein. Wir hoffen, dass unsere Arbeit für poröse Materialien der nächsten Generation wichtig sein und zu Anwendungen für eine nachhaltige Zukunft beitragen wird.“