一个百年理论的新转折增强了生物启发材料的高效传质潜力

树叶中发现的天然静脉结构启发了多孔材料的结构设计，可以最大限度地实现传质。由于对百年生物物理定律的新突破，这种结构可能会在能量存储、催化和传感方面带来改进

由剑桥石墨烯中心纳米工程小组领导的一个国际研究小组开发了一种基于“默里定律”的新材料理论，适用于广泛的下一代功能材料，应用于从可充电电池到高性能气体传感器的方方面面。这一发现发表在《自然通讯》杂志上

塞西尔·D·默里于1926年提出的默里定律描述了自然血管结构，如动物血管和植物叶片中的静脉，如何以最小的能量消耗有效地输送流体

第一作者、剑桥大学博士生周冰涵表示：“尽管这一传统理论适用于圆柱形孔隙结构，但它往往难以找到形状各异的合成网络，有点像试图将方形销钉插入圆孔。”

被称为“通用默里定律”的研究人员的新理论弥合了生物血管和人工材料之间的差距，有望有利于能源和环境应用

周说：“最初的默里定律是通过最大限度地减少能量消耗来维持血管中的层流而制定的，但它不适用于合成材料。”

“为了扩大其在合成材料中的适用性，我们通过考虑分级通道中的流动阻力来扩展该定律。我们提出的通用默里定律适用于任何形状的孔隙，适用于所有常见的转移类型，包括层流、扩散和离子迁移。”

从日常使用到工业生产，许多应用都涉及通过高度多孔材料的离子或质量转移过程；研究人员表示，可能受益于普遍默里定律的应用程序

例如，当对电池充电或放电时，离子通过多孔屏障在电极之间物理移动。气体传感器依赖于气体分子通过多孔材料的扩散。化学工业经常使用催化反应，包括反应物通过催化剂的层流

周补充道：“采用这种新的生物物理定律可以大大降低上述过程中的流动阻力，提高整体效率。”

研究人员使用石墨烯气凝胶证明了他们的理论，这种材料以其非凡的孔隙率而闻名。他们通过控制材料中冰晶的生长，仔细地改变了孔径和形状。他们的实验表明，遵循新提出的通用默里定律的微观通道对流体流动的阻力最小，而偏离该定律会增加流动阻力

“我们为数值模拟设计了一个按比例缩小的层次模型，发现遵循所提出的定律的简单形状变化确实会降低流动阻力，”合著者、工程系流体动力学教授东方亮说。

该团队还通过优化多孔气体传感器证明了通用默里定律的实用价值。与传统上被认为是高效的多孔层次结构的传感器相比，根据法律设计的传感器显示出明显更快的响应

周说：“这两种结构之间的唯一区别是形状上的微小变化，这表明了我们提出的法律的威力和适用性。”

领导这项研究的剑桥石墨烯中心纳米工程教授Tawfique Hasan补充道：“我们已经将这种特殊的自然规律融入了合成材料中。”。“这可能是朝着以理论为指导的功能性多孔材料结构设计迈出的重要一步。我们希望我们的工作对新一代多孔材料具有重要意义，并为可持续未来的应用做出贡献。”