Tanto las plantas como los animales, poseen tejidos análogos que contienen redes jerárquicas de poros, con proporciones de tamaño que se han desarrollado para maximizar el transporte de masa y la velocidad de las reacciones. Los principios físicos subyacentes de este diseño jerárquico optimizado están incorporados en la denominada ley de Murray. Basados en este principio, un equipo internacional formado por científicos de China, Reino Unido, Estados Unidos y Bélgica, han diseñado un material poroso, tal como las venas de una hoja, que permite hacer transferencias de energía más eficiente.
La introducción del concepto de la ley de Murray a procesos industriales podría revolucionar el diseño de reactores con una eficiencia altamente mejorada, reducción del consumo energético, tiempo y utilización de materias primas para un futuro sostenible.
Este estudio demuestra que mediante la adaptación de la ley de Murray y su aplicación a la química, se puede mejorar significativamente el rendimiento de los materiales. La adaptación podría beneficiar a una amplia gama de materiales porosos y mejorar sus funciones para ser utilizadas en aplicaciones de energía y medioambiente.
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El equipo utilizó nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) como el bloque de construcción fundamental de su biomaterial. Estas nanopartículas, contienen pequeños poros dentro de ellas y conforman el nivel más bajo de la red porosa. El equipo ha dispuesto las partículas de ZnO a través de una capa de un proceso de evaporación autoensamblada. Esto crea un segundo nivel de redes porosas entre las partículas.
Durante el proceso, las partículas también forman poros más grandes debido a la evaporación del disolvente, lo que representa el nivel superior de los poros, que resulta en un biomaterial de tres niveles. El equipo fabricó con éxito estas estructuras porosas con las relaciones de diámetro precisas necesarias para obedecer la ley de Murray, lo que permite una transferencia eficiente de los materiales a través de la red de multinivel porosa.
Esta es la primera demostración de un proceso de fabricación simple que está impulsado en su totalidad por una nanopartícula autoensamblada. La fabricación a gran escala de este material poroso es posible, por lo que se configura en una tecnología excitante, que bien podría generar un impacto potencial en muchas aplicaciones.
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El equipo demostró que su material puede mejorar significativamente la estabilidad a largo plazo y de carga rápida de las baterías, así como la capacidad de descarga para el almacenamiento de iones de litio, con una mejora de la capacidad de hasta 25 veces, en comparación con el estado del material de grafito utilizado actualmente en baterías de iones de litio.
La naturaleza jerárquica de los poros también reduce las tensiones en estos electrodos durante los procesos de carga y descarga, mejora de su estabilidad estructural, lo que resulta en un tiempo de vida más larga para los dispositivos de almacenamiento de energía.
El equipo prevé que la estrategia podría ser utilizada con eficacia en el diseño de materiales para aplicaciones energéticas y ambientales.
