Das Potenzial bioinspirierter Materialien für einen effizienten Stofftransport wird durch eine neue Wendung einer jahrhundertealten Theorie gesteigert

Die natürliche Venenstruktur in Blättern – die als Inspiration für das strukturelle Design poröser Materialien diente, die den Stofftransport maximieren können – könnte dank einer neuen Wendung eines jahrhundertealten biophysikalischen Gesetzes Verbesserungen bei der Energiespeicherung, Katalyse und Wahrnehmung ermöglichen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der NanoEngineering Group am Cambridge Graphene Centre hat eine neue Materialtheorie entwickelt, die auf dem „Murray-Gesetz“ basiert und auf eine breite Palette funktioneller Materialien der nächsten Generation anwendbar ist, mit Anwendungen in allen Bereichen, von wiederaufladbaren Batterien bis hin zu Hochleistungs-Gassensoren. Der Ergebnisse werden im Journal berichtet Naturkommunikation.

Murrays Gesetz, das 1926 von Cecil D. Murray aufgestellt wurde, beschreibt, wie natürliche Gefäßstrukturen, wie zum Beispiel tierische Blutgefäße und Venen in Pflanzenblättern, Flüssigkeiten effizient und mit minimalem Energieaufwand transportieren.

„Aber während diese traditionelle Theorie für zylindrische Porenstrukturen funktioniert, hat sie bei synthetischen Netzwerken mit unterschiedlichen Formen oft Probleme – ein bisschen so, als würde man versuchen, einen quadratischen Stift in ein rundes Loch zu stecken“, sagt Erstautor Cambridge Ph.D. Student Binghan Zhou.

Die neue Theorie der Forscher mit dem Namen „Universelles Murray-Gesetz“ überbrückt die Lücke zwischen biologischen Gefäßen und künstlichen Materialien und dürfte Energie- und Umweltanwendungen zugute kommen.

„Das ursprüngliche Murraysche Gesetz wurde formuliert, indem der Energieverbrauch minimiert wurde, um die laminare Strömung in Blutgefäßen aufrechtzuerhalten, aber es war für synthetische Materialien ungeeignet“, sagt Zhou.

„Um seine Anwendbarkeit auf synthetische Materialien zu erweitern, haben wir dieses Gesetz erweitert, indem wir den Strömungswiderstand in hierarchischen Kanälen berücksichtigten. Unser vorgeschlagenes universelles Murray-Gesetz gilt für Poren jeder Form und eignet sich für alle gängigen Übertragungstypen, einschließlich laminarer Strömung, Diffusion und Ionenmigration .“

Vom täglichen Gebrauch bis zur industriellen Produktion umfassen viele Anwendungen Ionen- oder Stoffübertragungsprozesse durch hochporöse Materialien – Anwendungen, die vom universellen Murray-Gesetz profitieren könnten, sagen die Forscher.

Wenn beispielsweise Batterien geladen oder entladen werden, bewegen sich Ionen physikalisch zwischen den Elektroden durch eine poröse Barriere. Gassensoren basieren auf der Diffusion von Gasmolekülen durch poröse Materialien. In der chemischen Industrie kommen häufig katalytische Reaktionen zum Einsatz, bei denen die Reaktanten laminar durch Katalysatoren strömen.

„Die Anwendung dieses neuen biophysikalischen Gesetzes könnte den Strömungswiderstand in den oben genannten Prozessen erheblich reduzieren und so die Gesamteffizienz steigern“, fügt Zhou hinzu.

Die Forscher bewiesen ihre Theorie anhand von Graphen-Aerogel, einem Material, das für seine außergewöhnliche Porosität bekannt ist. Sie variierten sorgfältig die Porengrößen und -formen, indem sie das Wachstum von Eiskristallen im Material kontrollierten. Ihre Experimente zeigten, dass die mikroskopischen Kanäle, die dem neu vorgeschlagenen universellen Murray-Gesetz folgen, einen minimalen Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss bieten, während Abweichungen von diesem Gesetz den Strömungswiderstand erhöhen.

„Wir haben ein verkleinertes hierarchisches Modell für die numerische Simulation entworfen und herausgefunden, dass einfache Formänderungen, die dem vorgeschlagenen Gesetz folgen, tatsächlich den Strömungswiderstand verringern“, sagt Co-Autor Dongfang Liang, Professor für Hydrodynamik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.

Das Team demonstrierte auch den praktischen Wert des universellen Murray-Gesetzes durch die Optimierung eines porösen Gassensors. Der gesetzeskonform konzipierte Sensor zeigt eine deutlich schnellere Reaktion im Vergleich zu Sensoren, die einer porösen Hierarchie folgen und traditionell als hocheffizient gelten.

„Der einzige Unterschied zwischen den beiden Strukturen besteht in einer leichten Abweichung in der Form, was die Leistungsfähigkeit und einfache Anwendung unseres vorgeschlagenen Gesetzes zeigt“, sagt Zhou.

„Wir haben dieses besondere Naturgesetz in synthetische Materialien integriert“, fügt Tawfique Hasan hinzu, Professorin für Nanoengineering am Cambridge Graphene Centre, die die Forschung leitete. „Dies könnte ein wichtiger Schritt in Richtung eines theoriegeleiteten Strukturdesigns funktioneller poröser Materialien sein. Wir hoffen, dass unsere Arbeit für poröse Materialien der neuen Generation wichtig sein und zu Anwendungen für eine nachhaltige Zukunft beitragen wird.“