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自然法则的运用:叶气孔结构的新领域

已有 3932 次阅读 2017-4-21 10:19 |系统分类:科普集锦| style, center

剑桥大学的科学家根据自然界中植物最常见的叶气孔结构设计,发现了一种能够延长电池寿命的新方法。这种叶气孔结构可以改善从可充电电池到高性能气体传感器的性能。




由剑桥大学的Bao-LianSu教授和武汉理工大学、比利时那慕尔大学的多名科学家组成的国际研究团队根据默里定律(Murray's Law)原理,制作了这一模仿植物叶气孔的多孔材料。


默里定律适用于动物和植物叶气孔的循环和呼吸系统等的分支结构中。在这一结构中,通过不同尺寸的孔隙结构的交互方式来运输物质,减少必要的能量输出。


研究团队成功合成了纳米尺寸的多孔氧化锌微粒。研究者运用叠层蒸发这一过程自组装制备多孔氧化锌微粒。当溶剂挥发之后,形成更深的孔隙结构。这一结构被称为“三层默里材料”


这一操作过程可以保证其形成的孔隙直径遵循自然界中的默里定律。



The successively narrowing arrangement of pores in leaves is governed by Murray’s Law, mimicked by Prof Su’s research


该团队表示他们是首次合成出了符合默里定律的材料,其相关研究成果发表在Nature Communications 上。这一研究成果可以显著提高在光催化、气体传感器和锂离子电池电极三个特定过程的性能。



首先在光催化方面,他们证实由于染料更加容易进入到孔隙网络中,使用该材料之后水相中的橘色有机染料的光分解速率增加。其次在气体传感器方面,他们创造出了一种结构类似于昆虫呼吸管的“默里材料”,并发现这种材料在气体检测方面具有速度快、敏感性高的特点,并且具有很高的可重复性。研究人员还发现在锂电池的结构设计中运用这一结构材料可以大幅度地提高电池的充放电的速率以及稳定性,减轻电池电极内充放电过程中产生的应力。研究人员表示将这种材料作为锂离子电池电极时的储电量是石墨电极电池储电量的25倍。



“这种默里材料的制作过程难以置信的简单,完全是由纳米粒子的自组装得到的”,剑桥大学石墨烯研究中心,本文的共同作者Hasan教授表示,“大规模地生产这种多孔材料是可行的,更加令人兴奋的是随着科技发展,这一材料在其他方面都有着潜在的应用”。


Su教授还补充道,这一研究成果表明将默里定律由生物领域运用到化学领域中,材料的性能得到显著的提高。这一结构还可以运用于更广泛的多孔材料中,比如运用在能源和环境领域的功能性陶瓷和纳米金属中。Su教授表示,孔隙结构中反应体系的效率高、能耗低、可设计性强等特点也同样令人兴奋。


我们相信,如果这款电池技术能真正运用得上,至少对于我们的手机电池优化是非常有帮助的。




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3 杨正瓴 李颖业 haipengzhangdr

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