La structure veineuse naturelle trouvée dans les feuilles, qui a inspiré la conception structurelle de matériaux poreux capables de maximiser le transfert de masse, pourrait débloquer des améliorations en matière de stockage d’énergie, de catalyse et de détection grâce à une nouvelle tournure d’une loi biophysique vieille d’un siècle.
Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par le NanoEngineering Group du Cambridge Graphene Centre, a développé une nouvelle théorie des matériaux basée sur la « loi de Murray », applicable à une large gamme de matériaux fonctionnels de nouvelle génération, avec des applications dans tous les domaines, des batteries rechargeables aux capteurs de gaz haute performance. Le résultats sont rapportés dans le journal Communications naturelles.
La loi de Murray, proposée par Cecil D. Murray en 1926, décrit comment les structures vasculaires naturelles, telles que les vaisseaux sanguins des animaux et les veines des feuilles des plantes, transportent efficacement les fluides avec une dépense énergétique minimale.
« Mais alors que cette théorie traditionnelle fonctionne pour les structures de pores cylindriques, elle a souvent du mal à créer des réseaux synthétiques de formes diverses, un peu comme si on essayait d’insérer une cheville carrée dans un trou rond », explique le premier auteur, Cambridge Ph.D. étudiant Binghan Zhou.
Surnommée « loi universelle de Murray », la nouvelle théorie des chercheurs comble le fossé entre les vaisseaux biologiques et les matériaux artificiels et devrait bénéficier aux applications énergétiques et environnementales.
« La loi de Murray originale a été formulée en minimisant la consommation d’énergie pour maintenir le flux laminaire dans les vaisseaux sanguins, mais elle n’était pas adaptée aux matériaux synthétiques », explique Zhou.
« Pour élargir son applicabilité aux matériaux synthétiques, nous avons élargi cette loi en considérant la résistance à l’écoulement dans les canaux hiérarchiques. La loi universelle de Murray que nous proposons fonctionne pour les pores de toute forme et convient à tous les types de transfert courants, y compris l’écoulement laminaire, la diffusion et la migration ionique. « .
Allant de l’utilisation quotidienne à la production industrielle, de nombreuses applications impliquent des processus de transfert d’ions ou de masse à travers des matériaux hautement poreux – des applications qui pourraient bénéficier de la loi universelle de Murray, affirment les chercheurs.
Par exemple, lors du chargement ou du déchargement des batteries, les ions se déplacent physiquement entre les électrodes à travers une barrière poreuse. Les capteurs de gaz reposent sur la diffusion de molécules de gaz à travers des matériaux poreux. Les industries chimiques utilisent souvent des réactions catalytiques, impliquant un flux laminaire de réactifs à travers des catalyseurs.
« L’utilisation de cette nouvelle loi biophysique pourrait réduire considérablement la résistance à l’écoulement dans les processus ci-dessus, augmentant ainsi l’efficacité globale », ajoute Zhou.
Les chercheurs ont prouvé leur théorie en utilisant de l’aérogel de graphène, un matériau connu pour son extraordinaire porosité. Ils ont soigneusement varié la taille et la forme des pores en contrôlant la croissance des cristaux de glace dans le matériau. Leurs expériences ont montré que les canaux microscopiques suivant la nouvelle loi universelle de Murray offrent une résistance minimale à l’écoulement du fluide, tandis que les écarts par rapport à cette loi augmentent la résistance à l’écoulement.
« Nous avons conçu un modèle hiérarchique réduit pour la simulation numérique et avons constaté que de simples changements de forme suivant la loi proposée réduisaient effectivement la résistance à l’écoulement », explique le co-auteur Dongfang Liang, professeur d’hydrodynamique au Département d’ingénierie.
L’équipe a également démontré la valeur pratique de la loi universelle de Murray en optimisant un capteur de gaz poreux. Le capteur, conçu conformément à la loi, présente une réponse nettement plus rapide que les capteurs suivant une hiérarchie poreuse, traditionnellement considérés comme très efficaces.
« La seule différence entre les deux structures est une légère variation de forme, démontrant la puissance et la facilité d’application de notre loi proposée », explique Zhou.
« Nous avons incorporé cette loi naturelle particulière dans les matériaux synthétiques », ajoute Tawfique Hasan, professeur de nano-ingénierie au Cambridge Graphene Centre, qui a dirigé la recherche. « Cela pourrait constituer une étape importante vers une conception structurelle guidée par la théorie de matériaux poreux fonctionnels. Nous espérons que nos travaux seront importants pour les matériaux poreux de nouvelle génération et contribueront aux applications pour un avenir durable. »
Plus d’information:
Binghan Zhou et al, Loi universelle de Murray pour le transport optimisé des fluides dans les structures synthétiques, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-47833-0. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2309.16567