De natuurlijke structuur in bladeren kan de prestaties van alles verbeteren, van oplaadbare batterijen tot hoogwaardige gassensoren, volgens een internationaal team van wetenschappers. De onderzoekers hebben een poreuze, zoals de nerven van een blad, en zou de energieoverdracht efficiënter kunnen maken. Het materiaal kan de prestaties van oplaadbare batterijen verbeteren, optimaliseren van het laad- en ontlaadproces en het verlichten van spanningen in de batterij-elektroden, die, momenteel, hun levensduur beperken. Hetzelfde materiaal kan worden gebruikt voor hoogwaardige gasdetectie of voor katalyse om organische verontreinigende stoffen in water af te breken.

Om dit bio-geïnspireerde materiaal te ontwerpen, een internationaal team bestaande uit wetenschappers uit China, het Verenigd Koninkrijk, De Verenigde Staten en België bootsen de regel na die bekend staat als 'Murray's Law' en die natuurlijke organismen helpt te overleven en te groeien. Volgens deze wet, het hele netwerk van poriën dat op verschillende schalen in dergelijke biologische systemen bestaat, is zodanig met elkaar verbonden dat de overdracht van vloeistoffen wordt vergemakkelijkt en de weerstand door het netwerk wordt geminimaliseerd. De plantenstengels van een boom, of bladaders, bijvoorbeeld, optimaliseer de stroom van voedingsstoffen voor fotosynthese met zowel een hoog rendement als een minimaal energieverbruik door regelmatig uit te breiden naar kleinere schalen. Op dezelfde manier, het oppervlak van de tracheale poriën van insecten blijft constant langs de diffusieroute om de afgifte van koolstofdioxide en zuurstof in gasvorm te maximaliseren.

Het team, onder leiding van Prof Bao-Lian Su, een levend lid van Clare Hall, University of Cambridge en die ook is gevestigd aan de Wuhan University of Technology in China en aan de University of Namen in België, de wet van Murray aangepast voor de fabricage van het allereerste synthetische 'Murray-materiaal' en toegepast op drie processen:fotokatalyse, gasdetectie en lithium-ionbatterij-elektroden. In elke, ze ontdekten dat de multi-schaal poreuze netwerken van hun synthetische materiaal de prestaties van deze processen aanzienlijk verbeterden.

Prof Su zegt:

"Deze studie toont aan dat door de wet van Murray aan te passen vanuit de biologie en toe te passen op de chemie, de prestaties van materialen kunnen aanzienlijk worden verbeterd. De aanpassing kan een breed scala aan poreuze materialen ten goede komen en functionele keramiek en nanometalen die worden gebruikt voor energie- en milieutoepassingen verbeteren. minimale energie, tijd, en grondstofverbruik voor een duurzame toekomst."

Inschrijven Natuurcommunicatie deze week, het team beschrijft hoe het zinkoxide (ZnO) nanodeeltjes gebruikte als de primaire bouwsteen van hun Murray-materiaal. Deze nanodeeltjes, met daarin kleine poriën, vormen het laagste niveau van het poreuze netwerk. Het team rangschikte de ZnO-deeltjes via een laag-voor-laag verdampingsgestuurd zelfassemblageproces. Dit creëert een tweede niveau van poreuze netwerken tussen de deeltjes. Tijdens het verdampingsproces, de deeltjes vormen ook grotere poriën door oplosmiddelverdamping, die het hoogste niveau van poriën vertegenwoordigt, resulterend in een Murray-materiaal met drie niveaus. Het team heeft met succes deze poreuze structuren gefabriceerd met de precieze diameterverhoudingen die nodig zijn om de wet van Murray te gehoorzamen, waardoor de efficiënte overdracht van materialen over het porienetwerk met meerdere niveaus mogelijk is.

co-auteur, Dokter Tawfique Hasan, van het Cambridge Graphene Centre, onderdeel van de afdeling Engineering van de universiteit, voegt toe:

"Deze allereerste demonstratie van een fabricageproces van Murray-materiaal is ongelooflijk eenvoudig en wordt volledig aangedreven door de zelfassemblage van nanodeeltjes. Grootschalige produceerbaarheid van dit poreuze materiaal is mogelijk, maakt het spannend, technologie mogelijkmaken, met potentiële impact op vele toepassingen."

Met zijn synthetische Murray-materiaal, met precieze diameterverhoudingen tussen de porieniveaus, het team toonde een efficiënte afbraak van een organische kleurstof in water aan met behulp van fotokatalyse. Hieruit bleek dat de kleurstof gemakkelijk het poreuze netwerk kon binnendringen, wat leidde tot efficiënte en herhaalde reactiecycli. Het team gebruikte ook hetzelfde Murray-materiaal met een structuur die lijkt op de ademhalingsnetwerken van insecten, voor snelle en gevoelige gasdetectie met hoge herhaalbaarheid.

Het team bewees dat het Murray-materiaal de stabiliteit op lange termijn en het snelle laad- en ontlaadvermogen voor lithiumionopslag aanzienlijk kan verbeteren. met een capaciteitsverbetering tot wel 25 keer vergeleken met state-of-the-art grafietmateriaal dat momenteel wordt gebruikt in lithium-ionbatterij-elektroden. De hiërarchische aard van de poriën vermindert ook de spanningen in deze elektroden tijdens de laad-/ontlaadprocessen, verbetering van hun structurele stabiliteit en resulterend in een langere levensduur van energieopslagapparaten.

Het team voorziet dat de strategie effectief kan worden gebruikt in materiaalontwerpen voor energie- en milieutoepassingen.