Nature子刊：基于Murray定律设计仿生材料——有效提高材料物质传递和反应活性

【引言】

迄今为止，仿生科学为新型功能结构材料的研发提供了诸多新思路。自然进化使得生物与环境经历了长期的相互作用，大自然中出现了诸多优异的功能和完美的结构。基于天然材料作为研究灵感开发出的高性能仿生材料，大致分为两类：结构仿生和功能仿生，比如说已被广泛应用的人造纤维和各种薄膜材料等，对滚球体育 发展和人类进步产生了积极有益的影响。近年来，大自然某些生物的启示对于纳米材料，复合材料和智能材料领域的发展起到了有效的推进作用。

植物和动物都具有包含层次孔隙网络的相似组织，孔隙尺寸比例经过进化，可实现最大化物质输运和反应速率。最优化分层设计的物理原理体现在Murray定律上。然而，由于制备类血管化结构的挑战，目前仍未实现在合成材料中仿制出天然的Murray网络。

【成果简介】

近日，武汉理工大学郑先锋博士（第一作者）、苏宝连教授和李昱教授(共同通讯作者)等人报道了基于Murray定律，采用自下而上的方法，仿真出最优的自然系统的研究成果。制备出的这种仿生材料，其孔隙尺寸通过多尺度方法减小，最终达到一个尺寸恒定单位，像植物的茎、叶脉以及血管和呼吸系统那样分层分支状结构和精确的直径比，以实现连接从宏观到微观的多尺度孔隙。其模拟的Murray材料可高度增强液-固相、气-固相以及电化学反应中的物质交换和传输，在光催化作用、气体探测和锂离子电池电极方面都有很好的应用前景。相关成果以“Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity”为题，发表在近期的Nature Communications杂志上。

【图文导读】

图1、叶片和昆虫上活体Murray网络中的层次多孔结构

(a) 叶脉的光学图像。

(b)叶脉的SEM图。

(c)昆虫呼吸孔的光学图像，转载自参考文献 21 (CC-BY-SA, Wikimedia Commons)。

(d)昆虫呼吸孔的SEM图，转载自参考文献 21 (CC-BY-SA, Wikimedia Commons)。

(e)叶脉和(f)呼吸孔的层次多孔网络结构模型。

图2、通过自组装方式在Murray材料中构造具大孔宏观-中孔细观-微观孔的层次多孔网络

(a)单个孔隙模型。

(b)单个母管连接多个子管的多级孔隙模型。

(c)大孔-中孔-微孔材料中抽象的分层式多孔网络模型：d为纳米粒子的直径，n为单个纳米粒子中微孔的平均数量，S为所有纳米粒子的比表面积，S_micro是微孔的比表面积，D_micro和D_meso分别为微孔和中孔的直径。

(d)通过逐层蒸发驱动纳米粒子的自组装制备Murray材料的工艺流程。

图3、通过微孔ZnO纳米粒子自组装获得具大孔-中孔-微孔(M-M-M)的多级结构

(a-d)不同分辨率下的TEM图像：在纳米粒子浓度为0.25mg/mL的己烷悬浮液中，由逐层蒸发驱动自组装获得 (a)大孔，(b-c)中孔，(d)微孔结构；插图为标记区的高分辨率晶格图像。

(e-f)硅圆片上自组装的ZnO M-M-M结构在(e)低倍和(f)高倍放大率下的SEM图。

(g-i)铜箔上的ZnO M-M-M结构的(g)光学图像，(h)横截面的SEM图，(i)SEM图。

(j-l)ZnO M-M-M结构的(j)大孔，(k)中孔和(l)微孔的孔径分布曲线；k、l中的插图为相应的氩气吸附-解吸等温线。

图4、仿生Murray材料的性能

(a)不同ZnO样品的罗丹明B光降解率。

(b)具大孔-中观-微孔(M-M-M)结构的ZnO多次光降解反应。

(c)330℃下，不同的ZnO样品暴露于不同浓度的乙醇蒸气下的灵敏度；插图为不同样品在不同温度下暴露于100p.p.m.浓度乙醇蒸气中的灵敏度。

(d)330℃、250p.p.m.乙醇浓度中的ZnO M-M-M的重复响应。

(e)50次循环后的ZnO样品在渐增的电流密度下的倍率性能，插图为第一次循环过程中的电压分布，电流密度0.05A g^-1。

(f)倍率性能测试后，ZnO M-M-M样品在2.5A g^-1的电流密度下的耐久性循环性能。

【小结】

通过进化，自然界创造了一系列具有最优性能的材料。将大自然的设计作为灵感的来源，从而去发现和模拟各种应用中的材料结构。本文基于Murray定律，设计出具多尺度大孔-中孔-微孔的仿生材料可为多种应用带来独特的性能提升，高度增强了物质的转移和交换。此种设计方法适用于多种多孔材料制备，可使功能陶瓷和纳米金属在能源和环境方面应用广泛。从植物、动物和材料到工业过程，将Murray定律引入到工业反应中，可以极大地改善反应器的设计水平，有效提高效率，减少能耗，降低时间和原材料消耗，实现可持续发展。

文献链接：Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity(Nat. Commun.，2017，DOI:10.1038/ncomms14921)

本文由材料人编辑部赵雨农编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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