Un team internazionale di ricercatori, guidato dal NanoEngineering Group del Cambridge Graphene Centre, ha sviluppato una nuova teoria dei materiali basata sulla "Legge di Murray", applicabile a un'ampia gamma di materiali funzionali di prossima generazione, con applicazioni in tutto, dalle batterie ricaricabili alle batterie. sensori di gas ad alte prestazioni. I risultati sono riportati nella rivista Nature Communications .

La legge di Murray, avanzata da Cecil D. Murray nel 1926, descrive come le strutture vascolari naturali, come i vasi sanguigni degli animali e le vene nelle foglie delle piante, trasportano in modo efficiente i fluidi con un dispendio energetico minimo.

"Ma mentre questa teoria tradizionale funziona per strutture di pori cilindrici, spesso fatica per reti sintetiche con forme diverse, un po' come cercare di inserire un piolo quadrato in un foro rotondo", afferma il primo autore Cambridge Ph.D. studente Binghan Zhou.

Soprannominata "Legge universale di Murray", la nuova teoria dei ricercatori colma il divario tra i vasi biologici e i materiali artificiali e si prevede che apporterà benefici alle applicazioni energetiche e ambientali.

"L'originale legge di Murray è stata formulata riducendo al minimo il consumo di energia per mantenere il flusso laminare nei vasi sanguigni, ma non era adatta ai materiali sintetici", afferma Zhou.

"Per ampliare la sua applicabilità ai materiali sintetici, abbiamo ampliato questa legge considerando la resistenza al flusso nei canali gerarchici. La nostra proposta di Legge di Murray universale funziona per pori di qualsiasi forma e si adatta a tutti i tipi di trasferimento comuni, inclusi flusso laminare, diffusione e migrazione ionica ."

Dall'uso quotidiano alla produzione industriale, molte applicazioni coinvolgono processi di trasferimento di massa o ioni attraverso materiali altamente porosi, applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dalla legge universale di Murray, affermano i ricercatori.

Ad esempio, quando si caricano o si scaricano le batterie, gli ioni si muovono fisicamente tra gli elettrodi attraverso una barriera porosa. I sensori di gas si basano sulla diffusione delle molecole di gas attraverso materiali porosi. Le industrie chimiche utilizzano spesso reazioni catalitiche, che comportano un flusso laminare di reagenti attraverso catalizzatori.

"L'utilizzo di questa nuova legge biofisica potrebbe ridurre notevolmente la resistenza al flusso nei processi di cui sopra, aumentando l'efficienza complessiva", aggiunge Zhou.

I ricercatori hanno dimostrato la loro teoria utilizzando l’aerogel di grafene, un materiale noto per la sua straordinaria porosità. Hanno variato attentamente le dimensioni e le forme dei pori controllando la crescita dei cristalli di ghiaccio all'interno del materiale. I loro esperimenti hanno dimostrato che i canali microscopici che seguono la Legge di Murray universale recentemente proposta offrono una resistenza minima al flusso del fluido, mentre le deviazioni da questa legge aumentano la resistenza al flusso.

"Abbiamo progettato un modello gerarchico ridotto per la simulazione numerica e abbiamo scoperto che semplici cambiamenti di forma seguendo la legge proposta riducono effettivamente la resistenza al flusso", afferma il coautore Dongfang Liang, professore di idrodinamica presso il Dipartimento di Ingegneria.

Il team ha inoltre dimostrato il valore pratico della legge universale di Murray ottimizzando un sensore di gas poroso. Il sensore, progettato in conformità con la legge, mostra una risposta significativamente più rapida rispetto ai sensori che seguono una gerarchia porosa, tradizionalmente considerati altamente efficienti.

"L'unica differenza tra le due strutture è una leggera variazione nella forma, che mostra la potenza e la facilità di applicazione della nostra Legge proposta", afferma Zhou.

"Abbiamo incorporato questa speciale legge naturale nei materiali sintetici", aggiunge Tawfique Hasan, professore di nanoingegneria al Cambridge Graphene Centre, che ha guidato la ricerca. "Questo potrebbe essere un passo importante verso la progettazione strutturale guidata dalla teoria di materiali porosi funzionali. Ci auguriamo che il nostro lavoro sia importante per i materiali porosi di nuova generazione e contribuisca alle applicazioni per un futuro sostenibile."