树叶内部的天然脉络结构启发了多孔材料的结构设计，这种结构可以最大限度地提高传质效果，它可以改善能量储存、催化和传感技术，这要归功于一个具有百年历史的生物物理定律的新变化。
由剑桥石墨烯中心的纳米工程小组领导的一个国际研究小组根据 “Murray定律 “开发出了一种新的材料理论，适用于广泛的下一代功能材料，可应用于从可充电电池到高性能气体传感器等各种领域。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。
Murray定律由Cecil D. Murray于 1926 年提出，描述了动物血管和植物叶脉等天然血管结构如何以最小的能量消耗高效地输送液体。
“第一作者、剑桥大学博士生Binghan Zhou说：”但这一传统理论适用于圆柱形孔隙结构，却常常难以适用于形状各异的合成网络–有点像把方钉塞进圆孔。
研究人员的新理论被称为 “通用Murray定律”，它弥补了生物容器和人工材料之间的差距，有望造福能源和环境应用领域。
Zhou说：”最初的Murray定律是通过最小化能量消耗来维持血管中的层流来制定的，但它并不适用于合成材料。”
“为了扩大该定律对合成材料的适用性，我们考虑了分层通道中的流动阻力，从而扩展了该定律。我们提出的通用墨累定律适用于任何形状的孔隙，并适合所有常见的传输类型，包括层流、扩散和离子迁移。”
研究人员说，从日常使用到工业生产，许多应用都涉及通过高多孔材料的离子或质量传递过程–这些应用都可能受益于通用Murray定律。
例如，电池充电或放电时，离子通过多孔屏障在电极之间进行物理移动。气体传感器依靠气体分子通过多孔材料进行扩散。化学工业通常使用催化反应，涉及反应物通过催化剂的层流。
“采用这种新的生物物理定律可以大大减少上述过程中的流动阻力，提高整体效率。
研究人员利用石墨烯气凝胶证明了他们的理论。他们通过控制材料中冰晶的生长，精心改变了孔隙的大小和形状。他们的实验表明，遵循新提出的通用Murray定律的微观通道对流体流动的阻力最小，而偏离该定律的通道则会增加流动阻力。
“合著者、工程系流体力学教授梁东方说：”我们设计了一个按比例缩小的分层模型进行数值模拟，结果发现，按照提出的定律进行简单的形状改变确实可以减少流动阻力。
研究小组还通过优化多孔气体传感器证明了通用Murray定律的实用价值。根据该定律设计的传感器与传统上被认为具有高效率的多孔层次结构的传感器相比，响应速度明显更快。
“周说：”两种结构之间唯一的区别是形状上的细微差别，这表明我们提出的定律既强大又易于应用。
“领导这项研究的剑桥石墨烯中心纳米工程教授 Tawfique Hasan 补充说：”我们已将这一特殊的自然规律融入合成材料中。”这可能是在理论指导下进行功能性多孔材料结构设计的重要一步。我们希望我们的工作对新一代多孔材料具有重要意义，并有助于可持续未来的应用。
More information:
Binghan Zhou et al, Universal Murray’s law for optimised fluid transport in synthetic structures, Nature Communications (2024).
DOI: 10.1038/s41467-024-47833-0. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2309.16567
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