Potencial de materiais bioinspirados para transferência de massa eficiente, impulsionado por uma nova reviravolta em uma teoria centenária
Lei de Murray em estruturas hierárquicas. Crédito:arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16567 A estrutura natural das veias encontrada nas folhas – que inspirou o design estrutural de materiais porosos que podem maximizar a transferência de massa – poderia desbloquear melhorias no armazenamento de energia, catálise e detecção graças a uma nova reviravolta numa lei biofísica centenária.
Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pelo Grupo de NanoEngenharia do Cambridge Graphene Centre, desenvolveu uma nova teoria de materiais baseada na "Lei de Murray", aplicável a uma ampla gama de materiais funcionais da próxima geração, com aplicações em tudo, desde baterias recarregáveis até sensores de gás de alto desempenho. As descobertas são relatadas na revista Nature Communications .
A Lei de Murray, apresentada por Cecil D. Murray em 1926, descreve como as estruturas vasculares naturais, como vasos sanguíneos de animais e veias nas folhas das plantas, transportam fluidos de forma eficiente com gasto mínimo de energia.
"Mas embora esta teoria tradicional funcione para estruturas de poros cilíndricos, ela muitas vezes tem dificuldades para redes sintéticas com formatos diversos - um pouco como tentar encaixar uma estaca quadrada em um buraco redondo", diz o primeiro autor Cambridge Ph.D. estudante Binghan Zhou.
Apelidada de "Lei Universal de Murray", a nova teoria dos pesquisadores preenche a lacuna entre os recipientes biológicos e os materiais artificiais e espera-se que beneficie as aplicações energéticas e ambientais.
“A Lei de Murray original foi formulada minimizando o consumo de energia para manter o fluxo laminar nos vasos sanguíneos, mas não era adequada para materiais sintéticos”, diz Zhou.
"Para ampliar sua aplicabilidade aos materiais sintéticos, expandimos esta lei considerando a resistência ao fluxo em canais hierárquicos. Nossa proposta de Lei Universal de Murray funciona para poros de qualquer formato e se adapta a todos os tipos de transferência comuns, incluindo fluxo laminar, difusão e migração iônica ."
Desde o uso diário até a produção industrial, muitas aplicações envolvem processos de transferência de íons ou massa através de materiais altamente porosos – aplicações que poderiam se beneficiar da Lei Universal de Murray, dizem os pesquisadores.
Por exemplo, ao carregar ou descarregar baterias, os íons se movem fisicamente entre os eletrodos através de uma barreira porosa. Os sensores de gás dependem da difusão de moléculas de gás através de materiais porosos. As indústrias químicas costumam usar reações catalíticas, envolvendo fluxo laminar de reagentes através de catalisadores.
“Empregar esta nova lei biofísica poderia reduzir bastante a resistência ao fluxo nos processos acima, aumentando a eficiência geral”, acrescenta Zhou.
Os pesquisadores comprovaram sua teoria usando aerogel de grafeno, material conhecido por sua extraordinária porosidade. Eles variaram cuidadosamente os tamanhos e formatos dos poros, controlando o crescimento de cristais de gelo dentro do material. Seus experimentos mostraram que os canais microscópicos que seguem a recém-proposta Lei Universal de Murray oferecem resistência mínima contra o fluxo de fluido, enquanto os desvios desta lei aumentam a resistência ao fluxo.
"Projetamos um modelo hierárquico reduzido para simulação numérica e descobrimos que mudanças simples de forma seguindo a lei proposta de fato reduzem a resistência ao fluxo", diz o coautor Dongfang Liang, professor de hidrodinâmica no Departamento de Engenharia.
A equipe também demonstrou o valor prático da Lei Universal de Murray ao otimizar um sensor de gás poroso. O sensor, projetado de acordo com a legislação, apresenta resposta significativamente mais rápida em comparação aos sensores que seguem uma hierarquia porosa, tradicionalmente considerada de alta eficiência.
“A única diferença entre as duas estruturas é uma ligeira variação na forma, mostrando o poder e a facilidade de aplicação da nossa lei proposta”, diz Zhou.
“Incorporámos esta lei natural especial nos materiais sintéticos”, acrescenta Tawfique Hasan, professor de nanoengenharia no Cambridge Graphene Centre, que liderou a investigação. "Este poderia ser um passo importante em direção ao projeto estrutural de materiais porosos funcionais guiado pela teoria. Esperamos que nosso trabalho seja importante para materiais porosos de nova geração e contribua para aplicações para um futuro sustentável."
