La struttura naturale che si trova all'interno delle foglie potrebbe migliorare le prestazioni di qualsiasi cosa, dalle batterie ricaricabili ai sensori di gas ad alte prestazioni, secondo un team internazionale di scienziati. I ricercatori hanno progettato un poroso, come le nervature di una foglia, e potrebbe rendere più efficienti i trasferimenti di energia. Il materiale potrebbe migliorare le prestazioni delle batterie ricaricabili, ottimizzare il processo di carica e scarica e alleviare le sollecitazioni all'interno degli elettrodi della batteria, quale, al momento, limitarne la durata. Lo stesso materiale potrebbe essere utilizzato per il rilevamento di gas ad alte prestazioni o per la catalisi per abbattere gli inquinanti organici nell'acqua.

Per progettare questo materiale di ispirazione bio, un team internazionale composto da scienziati cinesi, il Regno Unito, Gli Stati Uniti e il Belgio stanno imitando la regola nota come "Legge di Murray" che aiuta gli organismi naturali a sopravvivere e crescere. Secondo questa Legge, l'intera rete di pori esistente su diverse scale in tali sistemi biologici è interconnessa in modo da facilitare il trasferimento di liquidi e ridurre al minimo la resistenza in tutta la rete. Gli steli delle piante di un albero, o nervature delle foglie, Per esempio, ottimizzare il flusso di nutrienti per la fotosintesi sia con alta efficienza che con il minimo consumo di energia ramificandosi regolarmente su scale più piccole. Nello stesso modo, la superficie dei pori tracheali degli insetti rimane costante lungo la via di diffusione per massimizzare il rilascio di anidride carbonica e ossigeno in forme gassose.

Il gruppo, guidato dal Prof Bao-Lian Su, un membro a vita di Clare Hall, University of Cambridge e che ha sede anche presso la Wuhan University of Technology in Cina e presso l'Università di Namur in Belgio, ha adattato la legge di Murray per la fabbricazione del primo "materiale di Murray" sintetico e l'ha applicata a tre processi:fotocatalisi, sensori di gas e elettrodi per batterie agli ioni di litio. In ciascun, hanno scoperto che le reti porose multiscala del loro materiale sintetico miglioravano significativamente le prestazioni di questi processi.

Il prof Su ha detto:

"Questo studio dimostra che adattando la legge di Murray dalla biologia e applicandola alla chimica, le prestazioni dei materiali possono essere notevolmente migliorate. L'adattamento potrebbe avvantaggiare un'ampia gamma di materiali porosi e migliorare le ceramiche funzionali e i nanometalli utilizzati per applicazioni energetiche e ambientali." "L'introduzione del concetto della legge di Murray nei processi industriali potrebbe rivoluzionare la progettazione di reattori con efficienza altamente migliorata, energia minima, tempo, e il consumo di materie prime per un futuro sostenibile."

Scrivendo in Comunicazioni sulla natura questa settimana, il team descrive come ha utilizzato le nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO) come elemento costitutivo principale del loro materiale Murray. Queste nanoparticelle, contenenti piccoli pori al loro interno, formano il livello più basso della rete porosa. Il team ha organizzato le particelle di ZnO attraverso un processo di autoassemblaggio guidato dall'evaporazione strato per strato. Questo crea un secondo livello di reti porose tra le particelle. Durante il processo di evaporazione, le particelle formano anche pori più grandi a causa dell'evaporazione del solvente, che rappresenta il livello più alto dei pori, risultando in un materiale Murray a tre livelli. Il team ha fabbricato con successo queste strutture porose con i precisi rapporti di diametro richiesti per obbedire alla legge di Murray, consentendo il trasferimento efficiente di materiali attraverso la rete di pori multilivello.

Coautore, Dottor Tawfique Hasan, del Cambridge Graphene Centre, parte del Dipartimento di Ingegneria dell'Università, aggiunge:

"Questa primissima dimostrazione di un processo di fabbricazione di un materiale Murray è incredibilmente semplice ed è interamente guidata dall'autoassemblaggio delle nanoparticelle. La producibilità su larga scala di questo materiale poroso è possibile, rendendolo emozionante, tecnologia abilitante, con un potenziale impatto su molte applicazioni."

Con il suo materiale sintetico Murray, con precisi rapporti di diametro tra i livelli dei pori, il team ha dimostrato un'efficace scomposizione di un colorante organico nell'acqua utilizzando la fotocatalisi. Ciò ha dimostrato che era facile per il colorante entrare nella rete porosa portando a cicli di reazione efficienti e ripetuti. Il team ha utilizzato anche lo stesso materiale Murray con una struttura simile alle reti respiratorie degli insetti, per il rilevamento di gas rapido e sensibile con elevata ripetibilità.

Il team ha dimostrato che il suo materiale Murray può migliorare significativamente la stabilità a lungo termine e la capacità di carica/scarica rapida per lo stoccaggio di ioni di litio, con un miglioramento della capacità fino a 25 volte rispetto al materiale di grafite all'avanguardia attualmente utilizzato negli elettrodi delle batterie agli ioni di litio. La natura gerarchica dei pori riduce anche le sollecitazioni in questi elettrodi durante i processi di carica/scarica, migliorando la loro stabilità strutturale e risultando in un tempo di vita più lungo per i dispositivi di accumulo di energia.

Il team prevede che la strategia possa essere utilizzata in modo efficace nella progettazione di materiali per applicazioni energetiche e ambientali.