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Novos avanços na teoria dos materiais derivados da estrutura das veias que ocorre naturalmente nas folhas das plantas podem levar a inovações significativas no armazenamento de energia e outras tecnologias, com base na atualização de uma lei centenária feita por uma equipe internacional de pesquisadores.
O trabalho da equipe, liderado por pesquisadores do grupo NanoEngineering do Cambridge Graphene Centre, é baseado na Lei de Murray e pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de sensores de alto desempenho, baterias recarregáveis e muito mais.
A Lei de Murray afirma que quando as estruturas vasculares, que incluem as veias das folhas ou os vasos sanguíneos dos animais, se ramificam em vasos filhos, o cubo do raio do vaso pai será igual à soma dos cubos dos raios de cada um dos vasos filhos. Em essência, isso determina a transferência eficiente de fluidos dentro de um organismo enquanto conserva energia.
Embora a Lei de Murray funcione bem para estruturas com poros cilíndricos, o mesmo nem sempre se aplica a redes sintéticas onde uma diversidade de outras formas está presente, de acordo com Binghan Zhou, estudante de doutorado em Cambridge e principal autor de um novo artigo que detalha o descobertas.
Uma nova reviravolta em uma lei centenária
A nova teoria que Zhou e seus colegas derivaram desta lei tradicional, que eles chamam de “Lei Universal de Murray”, procura explicar a lacuna entre materiais sintéticos e recipientes biológicos, permitindo que sistemas de materiais artificiais obtenham benefícios semelhantes que poderiam ajudar na produção de materiais mais eficientes. tecnologias energéticas e ambientais.
“A Lei de Murray original foi formulada minimizando o consumo de energia para manter o fluxo laminar nos vasos sanguíneos”, explica Zhou, “mas não era adequada para materiais sintéticos”.
Para estender a aplicação da Lei aos materiais sintéticos, Zhou diz que sua equipe conseguiu expandi-la considerando a resistência ao fluxo em canais hierárquicos. “Nossa Lei de Murray Universal proposta funciona para poros de qualquer formato e se adapta a todos os tipos de transferência comuns, incluindo fluxo laminar, difusão e migração iônica.”
Os processos de transferência que envolvem a passagem de íons ou massa através de materiais extremamente porosos poderiam ser bastante melhorados pela nova lei da equipe. Um exemplo envolve como os íons se movem entre condutores através de barreiras porosas, como quando passam entre eletrodos dentro de uma bateria quando ela está sendo carregada ou descarregando energia.
Da mesma forma, os sensores de gás funcionam difundindo moléculas de gás através de materiais porosos, e existem vários outros exemplos em áreas que envolvem produtos químicos e outras aplicações.
Zhou diz que a Lei Universal de Murray aumentará a eficiência de todas essas aplicações e de muitas outras tecnologias semelhantes, reduzindo a resistência ao fluxo.
Demonstrando a Lei Universal de Murray
Para demonstrar a eficácia da teoria, os pesquisadores usaram um aerogel de grafeno extremamente poroso e, ao controlar a produção de cristais de gelo dentro do material, conseguiram ajustar o tamanho e a forma dos poros do material.
Dongfang Liang, professor de hidrodinâmica no Departamento de Engenharia de Cambridge, explicou que a equipe empregou um modelo hierárquico para simulação numérica “e descobriu que simples mudanças de forma seguindo a lei proposta de fato reduzem a resistência ao fluxo”, mostrando que pequenos canais pareciam estar em conformidade com o nova Lei Universal de Murray, exibindo apenas uma pequena resistência contra o fluxo de fluido, enquanto a resistência ao fluxo aumentava quando se desviava da Lei.
As otimizações feitas pela equipe de um sensor de gás poroso também demonstraram o uso potencial da nova Lei. Os sensores ofereceram melhorias claras em relação aos sensores tradicionais, com apenas pequenas diferenças na forma, o que, segundo Zhou, demonstra “o poder e a facilidade de aplicação da nossa lei proposta”.
Segundo Tawfique Hasan, professor de nanoengenharia do Cambridge Graphene Centre, a equipe já incorporou a Lei em aplicações que envolvem materiais sintéticos.
Hasan, que liderou a pesquisa recente da equipe, diz que suas descobertas “poderiam 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”, diz Hasan.
As equipes novo papel“Lei de Murray universal para transporte otimizado de fluidos em estruturas sintéticas”, foi publicado na revista Comunicações da Natureza em 7 de maio de 2024.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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