Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont développé une nouvelle théorie des matériaux basée sur la « loi de Murray », qui pourrait révolutionner la conception de matériaux poreux pour des applications allant du stockage d’énergie à la détection de gaz.
Une nouvelle théorie inspirée par la nature
La «loi de Murray», énoncée par Cecil D. Murray en 1926, décrit comment les structures vasculaires naturelles, telles que les vaisseaux sanguins des animaux et les veines des feuilles des plantes, transportent efficacement les fluides avec une dépense d’énergie minimale. Cependant, cette théorie traditionnelle est souvent difficile à appliquer aux réseaux synthétiques aux formes diverses.
L’équipe de recherche, dirigée par le groupe de nanoingénierie du Cambridge Graphene Centre, a développé une nouvelle théorie des matériaux appelée «loi universelle de Murray», applicable à une large gamme de matériaux fonctionnels de nouvelle génération. Cette théorie comble le fossé entre les vaisseaux biologiques et les matériaux artificiels.
Des applications variées pour la « loi universelle de Murray »
De nombreuses applications, allant de l’usage quotidien à la production industrielle, impliquent des processus de transfert d’ions ou de masse à travers des matériaux hautement poreux. Par exemple, lors de la charge ou de la décharge des batteries, les ions se déplacent physiquement entre les électrodes à travers une barrière poreuse. Les capteurs de gaz reposent sur la diffusion des molécules de gaz à travers des matériaux poreux. Les industries chimiques utilisent souvent des réactions catalytiques, impliquant un écoulement laminaire des réactifs à travers les catalyseurs.
Selon les chercheurs, l’application de la «loi universelle de Murray» pourrait considérablement réduire la résistance à l’écoulement dans ces processus, augmentant ainsi l’efficacité globale.
Validation expérimentale de la théorie
Les chercheurs ont prouvé leur théorie en utilisant un aérogel de graphène, un matériau connu pour sa porosité extraordinaire. Ils ont soigneusement fait varier les tailles et les formes des pores en contrôlant la croissance des cristaux de glace à l’intérieur du matériau. Leurs expériences ont montré que les canaux microscopiques suivant la «loi universelle de Murray» nouvellement proposée offrent une résistance minimale à l’écoulement des fluides, tandis que les déviations par rapport à cette loi augmentent la résistance à l’écoulement.
Dongfang Liang, professeur d’hydrodynamique au département d’ingénierie, explique : «Nous avons conçu un modèle hiérarchique à échelle réduite pour une simulation numérique et avons constaté que de simples changements de forme suivant la loi proposée réduisent effectivement la résistance à l’écoulement.»
Vers une conception structurelle guidée par la théorie
L’équipe a également démontré la valeur pratique de la «loi universelle de Murray» en optimisant un capteur de gaz poreux. Le capteur, conçu conformément à la loi, présente un temps de réponse significativement plus rapide par rapport aux capteurs suivant une hiérarchie poreuse, traditionnellement considérée comme très efficace.
Tawfique Hasan, professeur de nanoingénierie au Cambridge Graphene Centre, qui a dirigé la recherche, conclut : «Nous avons incorporé cette loi naturelle spéciale dans des matériaux synthétiques. Cela pourrait être une étape importante vers une conception structurelle guidée par la théorie des matériaux poreux fonctionnels. Nous espérons que notre travail sera important pour la nouvelle génération de matériaux poreux et contribuera à des applications pour un avenir durable.»
Article : « Universal Murray’s law for optimised fluid transport in synthetic structures » – DOI: 10.1038/s41467-024-47833-0
