Según un equipo internacional de científicos, 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. Los investigadores han diseñado un material poroso, como las venas de una hoja, y podrían hacerlas transferencias de energía son más eficientes. El material podría mejorar el rendimiento de las baterías recargables, optimizando el proceso de carga y descarga y aliviando las tensiones dentro de los electrodos de la batería, que, en este momento, limitan su vida útil. El mismo material podría usarse para gas de alto rendimientodetección o catálisis para descomponer contaminantes orgánicos en el agua.
Para diseñar este material de inspiración biológica, un equipo internacional compuesto por científicos de China, Reino Unido, Estados Unidos y Bélgica está imitando la regla conocida como 'Ley de Murray' que ayuda a los organismos naturales a sobrevivir y crecer. De acuerdo con esta Ley, eltoda la red de poros que existe en diferentes escalas en tales sistemas biológicos está interconectada de manera de facilitar la transferencia de líquidos y minimizar la resistencia a través de la red. Los tallos de las plantas de un árbol o las venas de las hojas, por ejemplo, optimizan el flujo de nutrientes parafotosíntesis con alta eficiencia y consumo mínimo de energía ramificándose regularmente a escalas más pequeñas.De la misma manera, el área superficial 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 también con sede en la Universidad Tecnológica de Wuhan en China y en la Universidad de Namur en Bélgica, adaptó la Ley de Murray para la fabricacióndel primer 'material Murray' sintético y lo aplicó a tres procesos: fotocatálisis, detección de gas y electrodos de batería de iones de litio. En cada uno, descubrieron que las redes porosas multiescala de su material sintético mejoraban significativamente el rendimiento 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 la cerámica funcional y los nano-metalesutilizado para aplicaciones energéticas y medioambientales. "" La introducción del concepto de la Ley de Murray a los procesos industriales podría revolucionar el diseño de reactores con una eficiencia altamente mejorada, un consumo mínimo de energía, tiempo y materias primas para un futuro sostenible ".
Escribiendo en Comunicaciones de la naturaleza esta semana, el equipo describe cómo utilizó las nanopartículas de óxido de zinc ZnO como el bloque de construcción principal de su material Murray. Estas nanopartículas, que contienen pequeños poros dentro de ellas, forman el nivel más bajo de la red porosa. El equipo arregló el ZnOpartículas 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, lo que resultó en un material de Murray de tres niveles. El equipo fabricó con éxito estas estructuras porosas con las proporciones de diámetro precisas requeridas para obedecer la ley de Murray, permitiendo la transferencia eficiente de materiales a través de la red de poros multinivel.
El coautor, Dr. Tawfique Hasan, del Cambridge Graphene Center, 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 completamente impulsada por el autoensamblaje de nanopartículas. Es posible la fabricación a gran escala de este material poroso, lo que lo convierte en una tecnología emocionante y activa, con un impacto potencial en muchosaplicaciones "
Con su material sintético Murray, con relaciones de diámetro precisas entre los niveles de poros, el equipo demostró una descomposición eficiente de un tinte orgánico en agua mediante el uso de la fotocatálisis. Esto demostró que era fácil para el tinte ingresar a la red porosa, lo que condujo a un rendimiento eficiente y eficiente.ciclos de reacción repetidos. El equipo también usó el mismo material Murray con una estructura similar a las redes respiratorias de los insectos, para la detección rápida y sensible de gases 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 utilizado actualmente en la batería de iones de litioelectrodos. La naturaleza jerárquica de los poros también reduce las tensiones en estos electrodos durante los procesos de carga / descarga, mejorando su estabilidad estructural y resultando en una vida útil más larga para los dispositivos de almacenamiento de energía.
El equipo prevé que la estrategia se pueda utilizar de manera efectiva en diseños de materiales para aplicaciones energéticas y ambientales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge . La historia original tiene licencia bajo a Licencia Creative Commons . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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