Une théorie de 1926 pour des batteries et des capteurs plus efficaces

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé une nouvelle théorie des matériaux basée sur la « loi de Murray », qui pourrait révolutionner la conception de matériaux poreux pour des applications allant du stockage d’énergie à la détection de gaz.

Une nouvelle théorie inspirée de la nature

Là “la loi de Murray», déclaré par Cecil D. Murray en 1926, décrit comment les structures vasculaires naturelles, telles que les vaisseaux sanguins des animaux et les nervures des feuilles des plantes, transportent efficacement les fluides avec une dépense énergétique minimale. Cependant, cette théorie traditionnelle est souvent difficile à appliquer à des réseaux synthétiques de formes diverses.

L’équipe de recherche, dirigée par le Nanoengineering Group du Cambridge Graphene Centre, a développé une nouvelle théorie des matériaux appelée «La loi universelle de Murray», applicable à une large gamme de matériaux fonctionnels de nouvelle génération. Cette théorie comble le fossé entre les vaisseaux biologiques et les matériaux artificiels.

Diverses applications de la « loi universelle de Murray »

De nombreuses applications, allant de l’utilisation quotidienne à la production industrielle, impliquent des processus de transfert d’ions ou de masse à travers des matériaux hautement poreux. Par exemple, lors du chargement ou de la décharge des batteries, les ions se déplacent physiquement entre les électrodes à travers une barrière poreuse. Les capteurs de gaz reposent sur la diffusion de molécules de gaz à travers des matériaux poreux. Les industries chimiques utilisent souvent des réactions catalytiques, impliquant un flux laminaire de réactifs à travers des catalyseurs.

Selon les chercheurs, l’application de «La loi universelle de Murray» pourrait réduire considérablement la résistance à l’écoulement dans ces processus, augmentant ainsi l’efficacité globale.

Validation expérimentale de la théorie

Les chercheurs ont prouvé leur théorie en utilisant l’aérogel de graphène, un matériau connu pour son extraordinaire porosité. Ils ont soigneusement varié les tailles et les formes des pores en contrôlant la croissance des cristaux de glace à l’intérieur du matériau. Leurs expériences ont montré que les canaux microscopiques suivant le «La loi universelle de Murray» Les nouvelles propositions offrent une résistance minimale à l’écoulement du fluide, tandis que les écarts par rapport à cette loi augmentent la résistance à l’écoulement.

Dongfang Liang, professeur d’hydrodynamique au département d’ingénierie, explique : «Nous avons conçu un modèle hiérarchique réduit pour la simulation numérique et avons constaté que de simples changements de forme suivant la loi proposée réduisent efficacement la résistance à l’écoulement.»

Vers une conception structurelle basée sur la théorie

L’équipe a également démontré la valeur pratique de «La loi universelle de Murray» en optimisant un capteur de gaz poreux. Le capteur, conçu conformément à la loi, présente un temps de réponse nettement plus rapide par rapport aux capteurs suivant une hiérarchie poreuse, traditionnellement considérés comme très efficaces.

Tawfique Hasan, professeur de nano-ingénierie au Cambridge Graphene Centre, qui a dirigé la recherche, conclut : «Nous avons incorporé cette loi naturelle particulière dans les matériaux synthétiques. Cela pourrait constituer une étape importante vers une conception structurelle guidée par la théorie des matériaux poreux fonctionnels. Nous espérons que nos travaux seront importants pour la prochaine génération de matériaux poreux et contribueront aux applications pour un avenir durable.»

Article : « Loi universelle de Murray pour le transport optimisé des fluides dans les structures synthétiques » – DOI : 10.1038/s41467-024-47833-0

 
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