Nature子刊：基于Murray定律設計仿生材料——有效提高材料物質傳遞和反應活性 ?

【引言】

?迄今為止，仿生科學為新型功能結構材料的研發提供了諸多新思路。自然進化使得生物與環境經歷了長期的相互作用，大自然中出現了諸多優異的功能和完美的結構。基于天然材料作為研究靈感開發出的高性能仿生材料，大致分為兩類：結構仿生和功能仿生，比如說已被廣泛應用的人造纖維和各種薄膜材料等，對科技發展和人類進步產生了積極有益的影響。近年來，大自然某些生物的啟示對于納米材料，復合材料和智能材料領域的發展起到了有效的推進作用。

植物和動物都具有包含層次孔隙網絡的相似組織，孔隙尺寸比例經過進化，可實現最大化物質輸運和反應速率。最優化分層設計的物理原理體現在Murray定律上。然而，由于制備類血管化結構的挑戰，目前仍未實現在合成材料中仿制出天然的Murray網絡。

【成果簡介】

?近日，武漢理工大學鄭先鋒博士（第一作者）、蘇寶連教授和李昱教授(共同通訊作者)等人報道了基于Murray定律，采用自下而上的方法，仿真出最優的自然系統的研究成果。制備出的這種仿生材料，其孔隙尺寸通過多尺度方法減小，最終達到一個尺寸恒定單位，像植物的莖、葉脈以及血管和呼吸系統那樣分層分支狀結構和精確的直徑比，以實現連接從宏觀到微觀的多尺度孔隙。其模擬的Murray材料可高度增強液-固相、氣-固相以及電化學反應中的物質交換和傳輸，在光催化作用、氣體探測和鋰離子電池電極方面都有很好的應用前景。相關成果以“Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity”為題，發表在近期的Nature?Communications雜志上。

【圖文導讀】

?圖1、葉片和昆蟲上活體Murray網絡中的層次多孔結構

(a)?葉脈的光學圖像。

(b)葉脈的SEM圖。

(c)昆蟲呼吸孔的光學圖像，轉載自參考文獻?21 (CC-BY-SA, Wikimedia Commons)。

(d)昆蟲呼吸孔的SEM圖，轉載自參考文獻?21 (CC-BY-SA, Wikimedia Commons)。

(e)葉脈和(f)呼吸孔的層次多孔網絡結構模型。

圖2、通過自組裝方式在Murray材料中構造具大孔宏觀-中孔細觀-微觀孔的層次多孔網絡

(a)單個孔隙模型。

(b)單個母管連接多個子管的多級孔隙模型。

(c)大孔-中孔-微孔材料中抽象的分層式多孔網絡模型：d為納米粒子的直徑，n為單個納米粒子中微孔的平均數量，S為所有納米粒子的比表面積，S_micro是微孔的比表面積，D_micro和D_meso分別為微孔和中孔的直徑。

(d)通過逐層蒸發驅動納米粒子的自組裝制備Murray材料的工藝流程。

圖3、通過微孔ZnO納米粒子自組裝獲得具大孔-中孔-微孔 (M-M-M) 的多級結構

(a-d)不同分辨率下的TEM圖像：在納米粒子濃度為0.25mg/mL的己烷懸浮液中，由逐層蒸發驅動自組裝獲得 (a)大孔，(b-c)中孔，(d)微孔結構；插圖為標記區的高分辨率晶格圖像。

(e-f)硅圓片上自組裝的ZnO M-M-M結構在(e)低倍和(f)高倍放大率下的SEM圖。

(g-i)銅箔上的ZnO M-M-M結構的(g)光學圖像，(h)橫截面的SEM圖，(i)SEM圖。

(j-l)ZnO M-M-M結構的(j)大孔，(k)中孔和(l)微孔的孔徑分布曲線；k、l中的插圖為相應的氬氣吸附-解吸等溫線。

圖4、仿生Murray材料的性能

(a)?不同ZnO樣品的羅丹明B光降解率。

(b)具大孔-中觀-微孔(M-M-M)結構的ZnO多次光降解反應。

(c)330℃下，不同的ZnO樣品暴露于不同濃度的乙醇蒸氣下的靈敏度；插圖為不同樣品在不同溫度下暴露于100p.p.m.濃度乙醇蒸氣中的靈敏度。

(d)330℃、250p.p.m.乙醇濃度中的ZnO M-M-M的重復響應。

(e)50次循環后的ZnO樣品在漸增的電流密度下的倍率性能，插圖為第一次循環過程中的電壓分布，電流密度0.05A g^-1。

(f)倍率性能測試后，ZnO M-M-M樣品在2.5A g^-1的電流密度下的耐久性循環性能。

【小結】

?通過進化，自然界創造了一系列具有最優性能的材料。將大自然的設計作為靈感的來源，從而去發現和模擬各種應用中的材料結構。本文基于Murray定律，設計出具多尺度大孔-中孔-微孔的仿生材料可為多種應用帶來獨特的性能提升，高度增強了物質的轉移和交換。此種設計方法適用于多種多孔材料制備，可使功能陶瓷和納米金屬在能源和環境方面應用廣泛。從植物、動物和材料到工業過程，將Murray定律引入到工業反應中，可以極大地改善反應器的設計水平，有效提高效率，減少能耗，降低時間和原材料消耗，實現可持續發展。

文獻鏈接：Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity(Nat. Commun.，2017，DOI:10.1038/ncomms14921)

本文由材料人編輯部趙雨農編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

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