La structure naturelle trouvée dans les feuilles pourrait améliorer les performances de tout, des batteries rechargeables aux capteurs de gaz haute performance, selon une équipe internationale de scientifiques. Les chercheurs ont conçu un poreux, comme les nervures d'une feuille, et pourrait rendre les transferts d'énergie plus efficaces. Le matériau pourrait améliorer les performances des batteries rechargeables, optimiser le processus de charge et de décharge et soulager les contraintes au sein des électrodes de la batterie, lequel, à l'heure actuelle, limiter leur durée de vie. Le même matériau pourrait être utilisé pour la détection de gaz à haute performance ou pour la catalyse afin de décomposer les polluants organiques dans l'eau.

Pour concevoir ce matériau bio-inspiré, une équipe internationale composée de scientifiques chinois, Le Royaume-Uni, Les États-Unis et la Belgique imitent la règle connue sous le nom de « loi de Murray » qui aide les organismes naturels à survivre et à se développer. Selon cette loi, l'ensemble du réseau de pores existant à différentes échelles dans de tels systèmes biologiques est interconnecté de manière à faciliter le transfert de liquides et à minimiser la résistance à travers le réseau. Les tiges végétales d'un arbre, ou nervures des feuilles, par exemple, optimiser le flux de nutriments pour la photosynthèse avec à la fois une efficacité élevée et une consommation d'énergie minimale en se ramifiant régulièrement à des échelles plus petites. De la même manière, la surface des pores trachéaux des insectes reste constante le long de la voie de diffusion pour maximiser l'apport de dioxyde de carbone et d'oxygène sous forme gazeuse.

L'équipe, dirigé par le professeur Bao-Lian Su, membre à vie de Clare Hall, Université de Cambridge et qui est également basé à l'Université de Technologie de Wuhan en Chine et à l'Université de Namur en Belgique, adapté la loi de Murray pour la fabrication du tout premier « matériau de Murray » synthétique et l'a appliquée à trois procédés :la photocatalyse, électrodes de détection de gaz et de batterie lithium-ion. Dans chaque, ils ont découvert que les réseaux poreux multi-échelles de leur matériau synthétique amélioraient considérablement les performances de ces procédés.

Prof Su dit :

"Cette étude démontre qu'en adaptant la loi de Murray de la biologie et en l'appliquant à la chimie, les performances des matériaux peuvent être considérablement améliorées. L'adaptation pourrait bénéficier à une large gamme de matériaux poreux et améliorer les céramiques fonctionnelles et les nano-métaux utilisés pour les applications énergétiques et environnementales. énergie minimale, temps, et la consommation de matières premières pour un avenir durable."

Écrire dans Communication Nature cette semaine, l'équipe décrit comment elle a utilisé des nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) comme élément de base principal de leur matériau Murray. Ces nanoparticules, contenant de petits pores en leur sein, forment le niveau le plus bas du réseau poreux. L'équipe a arrangé les particules de ZnO via un processus d'auto-assemblage par évaporation par couche. Cela crée un deuxième niveau de réseaux poreux entre les particules. Pendant le processus d'évaporation, les particules forment également des pores plus gros en raison de l'évaporation du solvant, qui représente le niveau supérieur des pores, résultant en un matériau Murray à trois niveaux. L'équipe a réussi à fabriquer ces structures poreuses avec les rapports de diamètre précis requis pour obéir à la loi de Murray, permettant le transfert efficace des matériaux à travers le réseau de pores à plusieurs niveaux.

Coauteur, Dr Tawfique Hassan, du Cambridge Graphene Centre, partie du département d'ingénierie de l'Université, ajoute :

"Cette toute première démonstration d'un processus de fabrication de matériau Murray est incroyablement simple et est entièrement pilotée par l'auto-assemblage de nanoparticules. La fabrication à grande échelle de ce matériau poreux est possible, ce qui en fait un excitant, technologie habilitante, avec un impact potentiel sur de nombreuses applications."

Avec sa matière synthétique Murray, avec des rapports de diamètres précis entre les niveaux de pores, l'équipe a démontré une décomposition efficace d'un colorant organique dans l'eau en utilisant la photocatalyse. Cela a montré qu'il était facile pour le colorant d'entrer dans le réseau poreux conduisant à des cycles de réaction efficaces et répétés. L'équipe a également utilisé le même matériau Murray avec une structure similaire aux réseaux respiratoires des insectes, pour une détection de gaz rapide et sensible avec une répétabilité élevée.

L'équipe a prouvé que son matériau Murray peut améliorer considérablement la stabilité à long terme et la capacité de charge/décharge rapide pour le stockage des ions lithium, avec une amélioration de la capacité jusqu'à 25 fois supérieure à celle du matériau graphite de pointe actuellement utilisé dans les électrodes des batteries lithium-ion. La hiérarchisation des pores permet également de réduire les contraintes dans ces électrodes lors des processus de charge/décharge, améliorant leur stabilité structurelle et résultant en une durée de vie plus longue pour les dispositifs de stockage d'énergie.

L'équipe envisage que la stratégie pourrait être utilisée efficacement dans la conception de matériaux pour des applications énergétiques et environnementales.