La estructura natural que se encuentra dentro de las hojas podría mejorar el rendimiento de todo, desde baterías recargables hasta sensores de gas de alto rendimiento, según un equipo internacional de científicos. Los investigadores han diseñado un como las venas de una hoja, y podría hacer que las transferencias de energía sean más eficientes. El material podría mejorar el rendimiento de las baterías recargables, optimizar el proceso de carga y descarga y aliviar las tensiones dentro de los electrodos de la batería, cuales, en este momento, limitar su vida útil. El mismo material podría usarse para detección de gases de alto rendimiento o para catálisis para descomponer contaminantes orgánicos en el agua.

Para diseñar este material bioinspirado, un equipo internacional compuesto por científicos de China, el Reino Unido, Estados Unidos y Bélgica están imitando la regla conocida como 'Ley de Murray' que ayuda a los organismos naturales a sobrevivir y crecer. Según esta Ley, toda la red de poros que existe a diferentes escalas en dichos sistemas biológicos está interconectada de manera que se facilite la transferencia de líquidos y se minimice la resistencia en toda la red. La planta de los tallos de un árbol, o venas de las hojas, por ejemplo, Optimice el flujo de nutrientes para la fotosíntesis con alta eficiencia y un consumo mínimo de energía mediante la ramificación regular a escalas más pequeñas. Del mismo modo, el área de la superficie de los poros traqueales de los insectos permanece constante a lo largo de la vía de difusión para maximizar la entrega de dióxido de carbono y oxígeno en formas gaseosas.

El equipo, dirigido por el profesor Bao-Lian Su, miembro vitalicio de Clare Hall, Universidad de Cambridge y que también tiene su sede en la Universidad de Tecnología de Wuhan en China y en la Universidad de Namur en Bélgica, adaptó la Ley de Murray para la fabricación del primer 'material de Murray' sintético y lo aplicó a tres procesos:fotocatálisis, Sensores de gas y electrodos de batería de iones de litio. En cada, encontraron que las redes porosas de múltiples escalas de su material sintético mejoraron significativamente el desempeño de estos procesos.

El profesor Su dice:

"Este estudio demuestra que al adaptar la Ley de Murray de la biología y aplicarla a la química, el rendimiento de los materiales se puede mejorar significativamente. La adaptación podría beneficiar a una amplia gama de materiales porosos y mejorar las cerámicas funcionales y los nano-metales utilizados para aplicaciones energéticas y ambientales "." La introducción del concepto de la Ley de Murray en los procesos industriales podría revolucionar el diseño de reactores con una eficiencia altamente mejorada, energía mínima, tiempo, y consumo de materias primas para un futuro sostenible ".

Escribiendo en Comunicaciones de la naturaleza esta semana, el equipo describe cómo utilizó nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) como el componente principal de su material Murray. Estas nanopartículas, conteniendo pequeños poros dentro de ellos, forman el nivel más bajo de la red porosa. El equipo dispuso las partículas de ZnO a través de un proceso de autoensamblaje impulsado por evaporación capa por capa. Esto crea un segundo nivel de redes porosas entre las partículas. Durante el proceso de evaporación, las partículas también forman poros más grandes debido a la evaporación del solvente, que representa el nivel superior de poros, resultando en un material Murray de tres niveles. El equipo fabricó con éxito estas estructuras porosas con las proporciones de diámetro precisas necesarias para obedecer la ley de Murray, permitiendo la transferencia eficiente de materiales a través de la red de poros multinivel.

Coautor, Dr. Tawfique Hasan, del Cambridge Graphene Centre, parte del Departamento de Ingeniería de la Universidad, agrega:

"Esta primera demostración de un proceso de fabricación de material Murray es increíblemente simple y está totalmente impulsada por el autoensamblaje de nanopartículas. Es posible la fabricación a gran escala de este material poroso, haciéndolo emocionante, tecnología habilitadora, con un impacto potencial en muchas aplicaciones ".

Con su material sintético Murray, con proporciones precisas de diámetro entre los niveles de poros, el equipo demostró una descomposición eficiente de un tinte orgánico en agua mediante el uso de fotocatálisis. Esto demostró que era fácil para el tinte entrar en la red porosa, lo que conducía a ciclos de reacción repetidos y eficientes. El equipo también utilizó el mismo material de Murray con una estructura similar a las redes respiratorias de los insectos. para una detección de gas rápida y sensible con alta repetibilidad.

El equipo demostró que su material Murray puede mejorar significativamente la estabilidad a largo plazo y la capacidad de carga / descarga rápida para el almacenamiento de iones de litio. con una mejora de la capacidad de hasta 25 veces en comparación con el material de grafito de última generación que se utiliza actualmente en los electrodos de baterías de iones de litio. La naturaleza jerárquica de los poros también reduce las tensiones en estos electrodos durante los procesos de carga / descarga, mejorando su estabilidad estructural y dando como resultado una vida útil más larga para los dispositivos de almacenamiento de energía.

El equipo prevé que la estrategia podría utilizarse de forma eficaz en el diseño de materiales para aplicaciones energéticas y medioambientales.