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第一作者：Binghan Zhou

通訊作者：Tawfique Hasan

通訊單位：劍橋大學

論文速覽

遵循默里定律的材料，其因獨特的多孔結(jié)構(gòu)和最佳的傳質(zhì)能力而備受關(guān)注。然而，根據(jù)現(xiàn)有理論，在合成體系中，構(gòu)建這種完美圓柱孔的仿生分級通道極具挑戰(zhàn)性。迄今為止，在納米結(jié)構(gòu)材料中，實現(xiàn)默里定律揭示卓越的傳質(zhì)能力，仍然遙不可及。

本研究提出了一種適用于各種層級結(jié)構(gòu)、形狀和廣義傳輸過程的通用默里定律。研究團隊通過實驗驗證了在層狀平面和管狀石墨烯氣凝膠結(jié)構(gòu)中各種流體的最優(yōu)流動，證實了所提出的定律。

通過調(diào)整氣凝膠基氣體傳感器中的宏觀孔，改善了傳感器的響應(yīng)動態(tài)。這項工作為設(shè)計任意形狀通道的合成默里材料提供了框架，這些材料具有優(yōu)越的傳質(zhì)能力，未來在催化、傳感和能源應(yīng)用方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

圖1：默里定律在層級結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

圖2：單向和雙向冷凍鑄造的氧化石墨烯氣凝膠（GOA）的結(jié)構(gòu)。

圖3：默里定律在層級結(jié)構(gòu)中的實驗和模擬驗證。

圖4：默里定律優(yōu)化的層級GOA基氣體傳感器。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于提出了一個普適的默里定律，該定律不僅適用于圓形截面的管狀網(wǎng)絡(luò)，還適用于非圓形通道的層級網(wǎng)絡(luò)和平面結(jié)構(gòu)。通過實驗和模擬，研究證明了遵循通用默里定律的層級結(jié)構(gòu)在層流、擴散和離子遷移等方面展現(xiàn)出最小的傳輸阻力。

此外，通過默里定律優(yōu)化的GOA基氣體傳感器在檢測1 ppm二氧化氮、氨和甲醛時，有更快的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間，這證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以顯著提升傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能。這些發(fā)現(xiàn)為合成多孔材料的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，未來有望在催化、傳感、能源存儲等領(lǐng)域帶來性能上的顯著提升。

文獻信息

標題：Universal Murray’s law for optimised fluid transport in synthetic structures

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47833-0

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