有望應用於電池和傳感等領域，劍橋團隊提出通用梅利定理優化多孔材料
一直以來，多孔材料是受到高度關注的研究領域之一。
早在古希臘時代，人們就使用多孔的活性炭作為解毒劑治療腹瀉。18 世紀，瑞典化學家卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）率先研究多孔材料的吸附行為。
那麼，如何提升微孔材料的傳輸能力和性能呢？
仿照生物體內的各種傳輸管道，引入交聯介孔、大孔的等級孔體系是解決方案之一。這些孔道可以有效縮短物質從外界傳輸進物質內部的傳輸路程，從而減少傳輸時間。
為解決孔徑大小對物質擴散行為的影響，英國劍橋大學陶菲克·哈辛（Tawfique Hasan）教授課題組發展出一種材料理論模型：通用梅利定理（Murray’s Law）。
他們通過對等級孔材料的結構進行優化，拓展了具有百年歷史的梅利定理，使之同樣能夠用於不同形狀的等級孔結構和優化各類應用中複雜的傳輸類型。
該理論能夠在不改變化學成分的情況下，通過理論指導結構設計與優化，實現材料性能的提升。
有望改進下一代多孔材料，在電池、催化劑、智能織物、傳感器和吸附材料等領域具有應用潛力。
圖丨課題組部分成員合照（來源：周秉翰）劍橋大學博士生周秉翰是第一作者，陶菲克·哈辛（Tawfique Hasan）教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
2017 年，比利時那慕爾大學蘇寶連院士課題組與劍橋大學陶菲克教授課題組合作，首次將梅利定理應用在等級孔材料的結構優化中，並將所得材料命名其為梅利材料 [2]。
該課題組後來考慮到，現有的梅利定理主要應用在生物力學和微流道等流體力學領域。
但是，該定理中所使用的管道形狀、物質傳輸種類等，並不能夠很好地與合成多孔材料的優化相適應。
於是，周秉翰決定將此作為博士階段的重點研究方向，並嘗試將梅利定理更換為更適合等級孔材料的形式。
他表示：「拓展的理論更適用於等級孔材料中形態各異孔構型，也適用於等級孔材料中更加複雜的傳輸類型。」
以擴散為例，在一般大孔的分子擴散中，擴散速率與擴散的濃度差、單位截面積以及長度都密切相關。
但介孔和微孔中的擴散行為非常複雜。
具體來說：
當孔徑擴散到 100 納米以下時，克努森擴散（Knudsen Diffusion）會逐漸代替分子擴散，成為主導的擴散行為。
而當孔徑繼續下降到與分子尺寸相匹配的情況，構型擴散（Configuration Diffusion）佔據主導，從而使擴散行為變得更加複雜。
圖丨等級孔結構中的梅利定律（來源：Nature Communications）在形狀適用方面，原有梅利定理僅適用於圓形孔。但在實際材料合成製備過程中，孔洞形狀呈多樣化特徵。
方枘圓鑿，在這些場景中原有梅利定理便顯得「無能為力」。
「通用梅利定理的普適性體現在，它能夠適用於不同級別、具有不同的擴散行為的場景，從而為提供理論指導。」周秉翰表示。
據介紹，該研究共經歷四年時間，研究過程並非一帆風順。最初，該課題組面臨一些未解決的理論難題，導致研究進度暫時停滯。
在實驗方面，研究人員嘗試通過多種材料驗證假設，但未能取得理想的結果。
直到研究人員將垂直雪藏技術應用在石墨烯氣凝膠，意外地發現了其獨特的三維結構。
這激發了他們重新思考並應用該材料進行實驗驗證，最終實現了較為理想的結果。
圖丨利用梅利定律優化基於管狀的氣體傳感器（來源：Nature Communications）據課題組預計，研究者基於該理論對等級孔結構進行設計和優化，所得到材料的傳輸性能可顯著提升。
「即使化學成分完全沒有變化，對它的傳輸性能也會有 10%-20% 的提升，這就好像是一種‘額外的’提升。」周秉翰表示。
此前，等級控材料的設計是一種「基於經驗，通過反復實驗設計結構」的研究範式。
或者是先製備出一批樣品，通過比較不同的孔徑，確定效果最佳的樣品；再或者是在材料設計出來後，根據它的性能進行調整。
未來，研究人員希望將該理論用在更複雜的應用場景，例如催化劑、電池電極、超級電容器等，並基於此提出更完善的理論。
提出通用梅利定理，是向發展「基於理論設計結構，再進行材料合成」邁出的第一步。隨著未來更多結構設計理論的提出，有望徹底改變材料合成的研究範式。
參考資料：1.Zhou, B., Cheng, Q., Chen, Z. et al. Universal Murray’s law for optimised fluid transport in synthetic structures. Nature Communications 15, 3652 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47833-0
2.Zheng, X., Shen, G., Wang, C. et al. Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity. Nature Communications 8, 14921 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14921
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