Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez NanoEngineering Group w Cambridge Graphene Centre, opracował nową teorię materiałów opartą na prawie Murraya, mającą zastosowanie do szerokiej gamy materiałów funkcjonalnych nowej generacji. Odkrycia opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Czytaj też: Te materiały zmieniają kształt. Po raz pierwszy uzyskano je w nanoskali z wykorzystaniem tej technologii
Prawo Murraya, zaproponowane przez Cecila D. Murraya w 1926 r., opisuje, w jaki sposób naturalne struktury naczyniowe, takie jak naczynia krwionośne zwierząt i żyłki liściowe roślin, skutecznie transportują płyny przy minimalnym wydatku energii.
Ale chociaż ta tradycyjna teoria sprawdza się w przypadku cylindrycznych struktur porów, często ma trudności w przypadku syntetycznych sieci o różnorodnych kształtach – to trochę jak próba wpasowania kwadratowego kołka w okrągły otwór. Dr Binghan Zhou z Cambridge Graphene Centre
Uniwersalne prawo Murraya może dać nam zupełnie nowe materiały
Naukowcy opracowali obecnie koncepcję zwaną “uniwersalnym prawem Murraya”, która łączy biologiczne struktury naczyniowe ze sztucznymi materiałami. Oczekuje się, że teoria ta będzie miała znaczące implikacje dla zastosowań energetycznych i środowiskowych.
Czytaj też: Nowatorskie materiały powstają atom po atomie. Tych kwantowych klocków LEGO nie układa człowiek
Pierwotne prawo Murraya skupiało się na minimalizacji zużycia energii w celu utrzymania przepływu laminarnego w naczyniach krwionośnych, ale nie miało zastosowania do materiałów syntetycznych.
Aby rozszerzyć jego zastosowanie na materiały syntetyczne, rozszerzyliśmy to prawo, biorąc pod uwagę opór przepływu w kanałach hierarchicznych. Proponowane przez nas uniwersalne prawo Murraya działa dla porów o dowolnym kształcie i pasuje do wszystkich powszechnych typów przenoszenia, w tym przepływu laminarnego, dyfuzji i migracji jonowej. Dr Binghan Zhou
Wiele zastosowań, od codziennego użytku po produkcję przemysłową, obejmuje procesy przenoszenia jonów lub masy przez wysoce porowate materiały – i to w nich zastosowanie uniwersalnego prawa Murraya może przynieść korzyści. Na przykład podczas ładowania lub rozładowywania akumulatorów jony fizycznie przemieszczają się pomiędzy elektrodami przez porowatą barierę. Czujniki gazu opierają się na dyfuzji cząsteczek gazu przez porowate materiały. W przemyśle chemicznym często stosuje się reakcje katalityczne, polegające na laminarnym przepływie reagentów przez katalizatory.
Uczeni udowodnili nową teorię, wykorzystując aerożel grafenowy – materiał znany ze swojej niezwykłej porowatości. Starannie zmieniali wielkość i kształt porów, kontrolując wzrost kryształków lodu w materiale. Eksperymenty wykazały, że mikroskopijne kanały zgodne z uniwersalnym prawem Murraya stawiają minimalny opór przepływowi płynu, natomiast odchylenia od tego prawa zwiększają opór przepływu.
Zespół zademonstrował także praktyczną wartość uniwersalnego prawa Murraya, optymalizując czujnik gazu porowatego. Czujnik zaprojektowany zgodnie z prawem wykazuje znacznie szybszą reakcję w porównaniu do czujników o porowatej hierarchii, tradycyjnie uznawanych za wysoce wydajne. Może to być ważny krok w kierunku opartego na teorii projektowania strukturalnego funkcjonalnych materiałów porowatych.