Un equipo internacional de investigadores, liderado por el Grupo de NanoIngeniería del Centro de Grafeno de Cambridge, ha desarrollado una nueva teoría de materiales basada en la "Ley de Murray", aplicable a una amplia gama de materiales funcionales de próxima generación, con aplicaciones en todo, desde baterías recargables hasta Sensores de gas de alto rendimiento. Los hallazgos aparecen en la revista Nature Communications. .

La Ley de Murray, propuesta por Cecil D. Murray en 1926, describe cómo las estructuras vasculares naturales, como los vasos sanguíneos de los animales y las venas de las hojas de las plantas, transportan fluidos de manera eficiente con un gasto mínimo de energía.

"Pero mientras que esta teoría tradicional funciona para estructuras de poros cilíndricos, a menudo tiene problemas para redes sintéticas con diversas formas, un poco como tratar de encajar una clavija cuadrada en un agujero redondo", dice el primer autor, Cambridge Ph.D. estudiante Binghan Zhou.

Apodada "Ley Universal de Murray", la nueva teoría de los investigadores cierra la brecha entre los vasos biológicos y los materiales artificiales y se espera que beneficie las aplicaciones energéticas y ambientales.

"La ley de Murray original se formuló minimizando el consumo de energía para mantener el flujo laminar en los vasos sanguíneos, pero no era adecuada para materiales sintéticos", dice Zhou.

"Para ampliar su aplicabilidad a materiales sintéticos, ampliamos esta ley considerando la resistencia al flujo en canales jerárquicos. Nuestra Ley Universal de Murray propuesta funciona para poros de cualquier forma y se adapta a todos los tipos de transferencia comunes, incluido el flujo laminar, la difusión y la migración iónica. ."

Desde el uso diario hasta la producción industrial, muchas aplicaciones implican procesos de transferencia de masa o iones a través de materiales altamente porosos, aplicaciones que podrían beneficiarse de la Ley Universal de Murray, dicen los investigadores.

Por ejemplo, al cargar o descargar baterías, los iones se mueven físicamente entre los electrodos a través de una barrera porosa. Los sensores de gas se basan en la difusión de moléculas de gas a través de materiales porosos. Las industrias químicas suelen utilizar reacciones catalíticas, que implican un flujo laminar de reactivos a través de catalizadores.

"El uso de esta nueva ley biofísica podría reducir en gran medida la resistencia al flujo en los procesos anteriores, aumentando la eficiencia general", añade Zhou.

Los investigadores demostraron su teoría utilizando aerogel de grafeno, un material conocido por su extraordinaria porosidad. Variaron cuidadosamente los tamaños y formas de los poros controlando el crecimiento de cristales de hielo dentro del material. Sus experimentos demostraron que los canales microscópicos que siguen la recientemente propuesta Ley Universal de Murray ofrecen una resistencia mínima contra el flujo de fluido, mientras que las desviaciones de esta ley aumentan la resistencia al flujo.

"Diseñamos un modelo jerárquico reducido para simulación numérica y descubrimos que cambios simples de forma siguiendo la ley propuesta reducen la resistencia al flujo", dice el coautor Dongfang Liang, profesor de Hidrodinámica en el Departamento de Ingeniería.

El equipo también demostró el valor práctico de la Ley Universal de Murray optimizando un sensor de gas poroso. El sensor, diseñado conforme a la ley, muestra una respuesta significativamente más rápida en comparación con los sensores que siguen una jerarquía porosa, tradicionalmente considerados de alta eficiencia.

"La única diferencia entre las dos estructuras es una ligera variación en la forma, lo que demuestra el poder y la facilidad de aplicación de nuestra Ley propuesta", dice Zhou.

"Hemos incorporado esta ley natural especial a los materiales sintéticos", añade Tawfique Hasan, profesor de Nanoingeniería en el Centro de Grafeno de Cambridge, quien dirigió la investigación. "Este podría ser un paso importante hacia el diseño estructural guiado por la teoría de materiales porosos funcionales. Esperamos que nuestro trabajo sea importante para materiales porosos de nueva generación y contribuya a aplicaciones para un futuro sostenible".