A estrutura natural encontrada dentro das folhas pode melhorar o desempenho de tudo, desde baterias recarregáveis ​​a sensores de gás de alto desempenho, de acordo com uma equipe internacional de cientistas. Os pesquisadores projetaram um poroso, como as veias de uma folha, e poderia tornar a transferência de energia mais eficiente. O material pode melhorar o desempenho das baterias recarregáveis, otimizar o processo de carga e descarga e aliviar tensões dentro dos eletrodos da bateria, que, no momento, limitar sua vida útil. O mesmo material pode ser usado para detecção de gás de alto desempenho ou para catálise para decompor poluentes orgânicos na água.

Para projetar este material bioinspirado, uma equipe internacional composta por cientistas da China, o Reino Unido, Os Estados Unidos e a Bélgica estão imitando a regra conhecida como 'Lei de Murray', que ajuda os organismos naturais a sobreviver e crescer. De acordo com esta Lei, toda a rede de poros existente em diferentes escalas em tais sistemas biológicos está interligada de forma a facilitar a transferência de líquidos e minimizar a resistência em toda a rede. A planta caule de uma árvore, ou nervuras de folha, por exemplo, otimize o fluxo de nutrientes para a fotossíntese com alta eficiência e consumo mínimo de energia, ramificando regularmente para escalas menores. Do mesmo jeito, a área de superfície dos poros traqueais dos insetos permanece constante ao longo da via de difusão para maximizar o fornecimento de dióxido de carbono e oxigênio em formas gasosas.

O time, liderado pelo Prof Bao-Lian Su, membro vitalício de Clare Hall, University of Cambridge, que também trabalha na Wuhan University of Technology na China e na University of Namur na Bélgica, adaptou a Lei de Murray para a fabricação do primeiro 'material Murray' sintético e aplicou-o a três processos:fotocatálise, sensores de gás e eletrodos de bateria de íon de lítio. Em cada, eles descobriram que as redes porosas em várias escalas de seu material sintético aumentavam significativamente o desempenho desses processos.

Prof Su diz:

"Este estudo demonstra que, adaptando a Lei de Murray da biologia e aplicando-a à química, o desempenho dos materiais pode ser melhorado significativamente. A adaptação pode beneficiar uma ampla gama de materiais porosos e melhorar cerâmicas funcionais e nano-metais usados ​​para aplicações energéticas e ambientais. "" A introdução do conceito da Lei de Murray para processos industriais pode revolucionar o projeto de reatores com eficiência altamente aprimorada, energia mínima, Tempo, e consumo de matéria-prima para um futuro sustentável. ”

Escrevendo em Nature Communications esta semana, a equipe descreve como usou nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) como o bloco de construção principal de seu material Murray. Essas nanopartículas, contendo pequenos poros dentro deles, formam o nível mais baixo da rede porosa. A equipe organizou as partículas de ZnO por meio de um processo de automontagem baseado em evaporação camada por camada. Isso cria um segundo nível de redes porosas entre as partículas. Durante o processo de evaporação, as partículas também formam poros maiores devido à evaporação do solvente, que representa o nível superior dos poros, resultando em um material Murray de três níveis. A equipe fabricou com sucesso essas estruturas porosas com as taxas de diâmetro precisas exigidas para obedecer à lei de Murray, permitindo a transferência eficiente de materiais através da rede de poros multinível.

Coautor, Dr. Tawfique Hasan, do Cambridge Graphene Center, parte do Departamento de Engenharia da Universidade, adiciona:

"Esta primeira demonstração de um processo de fabricação de material Murray é incrivelmente simples e é totalmente impulsionada pela automontagem de nanopartículas. A capacidade de fabricação em grande escala deste material poroso é possível, tornando-o empolgante, possibilitando tecnologia, com potencial impacto em muitos aplicativos. "

Com seu material sintético Murray, com relações de diâmetro precisas entre os níveis de poros, a equipe demonstrou uma quebra eficiente de um corante orgânico na água usando fotocatálise. Isso mostrou que era fácil para o corante entrar na rede porosa, levando a ciclos de reação eficientes e repetidos. A equipe também usou o mesmo material Murray com uma estrutura semelhante às redes de respiração de insetos, para detecção de gás rápida e sensível com alta repetibilidade.

A equipe provou que seu material Murray pode melhorar significativamente a estabilidade a longo prazo e a capacidade de carga / descarga rápida para armazenamento de íons de lítio, com uma melhoria de capacidade de até 25 vezes em comparação com o material de grafite de última geração usado atualmente em eletrodos de bateria de íon de lítio. A natureza hierárquica dos poros também reduz as tensões nesses eletrodos durante os processos de carga / descarga, melhorando sua estabilidade estrutural e resultando em um tempo de vida mais longo para dispositivos de armazenamento de energia.

A equipe prevê que a estratégia pode ser usada de forma eficaz em projetos de materiais para aplicações ambientais e de energia.