Wetenschap
Het potentieel van bio-geïnspireerde materialen voor efficiënte massaoverdracht, versterkt door een nieuwe draai aan een eeuwenoude theorie
De natuurlijke aderstructuur in bladeren – die de inspiratie vormde voor het structurele ontwerp van poreuze materialen die de massaoverdracht kunnen maximaliseren – zou verbeteringen op het gebied van energieopslag, katalyse en detectie kunnen bewerkstelligen dankzij een nieuwe draai aan een eeuwenoude biofysische wet.
Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van de NanoEngineering Group van het Cambridge Graphene Centre, heeft een nieuwe materiaaltheorie ontwikkeld op basis van de ‘wet van Murray’, toepasbaar op een breed scala aan functionele materialen van de volgende generatie, met toepassingen in alles van oplaadbare batterijen tot hoogwaardige gassensoren. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications .
De wet van Murray, naar voren gebracht door Cecil D. Murray in 1926, beschrijft hoe natuurlijke vasculaire structuren, zoals de bloedvaten en aderen van dieren in plantenbladeren, vloeistoffen efficiënt transporteren met een minimaal energieverbruik.
"Maar terwijl deze traditionele theorie werkt voor cilindrische poriestructuren, worstelt ze vaak met synthetische netwerken met verschillende vormen - een beetje zoals proberen een vierkante pin in een rond gat te passen", zegt eerste auteur Cambridge Ph.D. student Binghan Zhou.
De nieuwe theorie van de onderzoekers, genaamd 'Universal Murray's Law', overbrugt de kloof tussen biologische vaten en kunstmatige materialen en zal naar verwachting energie- en milieutoepassingen ten goede komen.
"De oorspronkelijke wet van Murray werd geformuleerd door het energieverbruik te minimaliseren om de laminaire stroming in de bloedvaten in stand te houden, maar deze was niet geschikt voor synthetische materialen", zegt Zhou.
"Om de toepasbaarheid ervan op synthetische materialen te vergroten, hebben we deze wet uitgebreid door rekening te houden met de stromingsweerstand in hiërarchische kanalen. Onze voorgestelde Universal Murray's Law werkt voor de poriën van elke vorm en is geschikt voor alle gangbare overdrachtstypen, inclusief laminaire stroming, diffusie en ionische migratie ."
Variërend van dagelijks gebruik tot industriële productie, veel toepassingen omvatten ionen- of massaoverdrachtsprocessen via zeer poreuze materialen - toepassingen die zouden kunnen profiteren van de wet van Universal Murray, zeggen de onderzoekers.
Bij het opladen of ontladen van batterijen bewegen ionen bijvoorbeeld fysiek tussen de elektroden door een poreuze barrière. Gassensoren zijn afhankelijk van de diffusie van gasmoleculen door poreuze materialen. De chemische industrie maakt vaak gebruik van katalytische reacties, waarbij een laminaire stroom van reactanten door katalysatoren plaatsvindt.
"Het gebruik van deze nieuwe biofysische wet zou de stromingsweerstand in de bovengenoemde processen aanzienlijk kunnen verminderen, waardoor de algehele efficiëntie zou toenemen", voegt Zhou toe.
De onderzoekers bewezen hun theorie met behulp van grafeen-aerogel, een materiaal dat bekend staat om zijn buitengewone porositeit. Ze varieerden zorgvuldig de poriegroottes en -vormen door de groei van ijskristallen in het materiaal te beheersen. Uit hun experimenten bleek dat de microscopische kanalen die de nieuw voorgestelde wet van Universal Murray volgen, minimale weerstand bieden tegen vloeistofstroming, terwijl afwijkingen van deze wet de stromingsweerstand vergroten.
"We ontwierpen een verkleind hiërarchisch model voor numerieke simulatie en ontdekten dat eenvoudige vormveranderingen volgens de voorgestelde wet inderdaad de stromingsweerstand verminderen", zegt co-auteur Dongfang Liang, hoogleraar hydrodynamica aan de afdeling Engineering.
Het team demonstreerde ook de praktische waarde van de wet van Universal Murray door een poreuze gassensor te optimaliseren. De sensor, ontworpen in overeenstemming met de wet, reageert aanzienlijk sneller dan sensoren die een poreuze hiërarchie volgen en traditioneel als zeer efficiënt worden beschouwd.
"Het enige verschil tussen de twee structuren is een kleine variatie in vorm, wat de kracht en het gemak van toepassing van onze voorgestelde wet aantoont", zegt Zhou.
"We hebben deze speciale natuurwet in synthetische materialen verwerkt", zegt Tawfique Hasan, hoogleraar nano-engineering aan het Cambridge Graphene Centre, die het onderzoek leidde. "Dit zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van een theoriegestuurd structureel ontwerp van functionele poreuze materialen. We hopen dat ons werk belangrijk zal zijn voor de nieuwe generatie poreuze materialen en zal bijdragen aan toepassingen voor een duurzame toekomst."