Tanto as plantas como os animais possuem tecidos análogos contendo redes hierárquicas de poros, com proporções de tamanho de poros que evoluíram para maximizar o transporte de massa e as velocidades de reações.
Os princípios físicos subjacentes a este design hierárquico optimizado estão incorporados na lei de Murray. No entanto, ainda não percebemos o benefício de imitar as redes Murray da natureza em materiais sintéticos devido aos desafios na fabricação de estruturas vascularizadas.
(...) Para conseguir transferência e permuta de substâncias com eficiência extremamente alta e consumo mínimo de energia, a evolução por seleção natural dotou muitas classes de organismos com redes hierarquicamente porosas, nas quais os tamanhos dos poros diminuem regularmente (e se ramificam) em múltiplas escalas e finalmente terminam em unidades invariantes de tamanho, como aquelas observadas em caules de plantas, nervuras de folhas e sistemas vasculares e respiratórios [5,6]
Como um todo, a rede porosa natural conectada dentro de um volume finito minimiza a resistência ao transporte para todos os poros e garante a transferência fluente através da rede como uma pré-condição, comumente referida como lei de Murray [7–10]
(...) Ao ramificar ainda mais e preencher o espaço para maximizar a superfície de permuta, tais redes devem ser iniciadas com macroporos grosseiros (450 nm), estendidos por poros multiescala em número crescente, mas reduzindo diâmetros. Os organismos, descritos como redes vivas de Murray, sustentam assim a vida e crescem obedecendo à regularidade de Murray com proporções de diâmetro precisas para conectar poros em múltiplas escalas, desde níveis macroscópicos até microscópicos.
(...) Para insetos que dependem da difusão de gases para respirar, a soma dos raios ao quadrado, ou seja, a área de superfície dos poros traqueais permanece constante ao longo da via de difusão, para maximizar a entrega de CO2 e O2 na forma gasosa, cerca de 104 e 106 vezes mais rápido no ar do que na água ou nos tecidos [8,12,13]. Na verdade, a lei de Murray estipula o design hierárquico otimizado para materiais porosos com propriedades de transferência maximizadas [7–10].
(...) Ao imitar as redes hierárquicas da natureza em materiais sintéticos com poros multiescala baseados na lei de Murray, esses materiais sintéticos de Murray podem potencialmente oferecer uma importante superioridade estrutural e melhoria de desempenho para uma ampla gama de aplicações, como em fotocatálise, detecção de gás e baterias de iões de lítio, que poderiam ajudar a mitigar os atuais problemas energéticos e ambientais [14–19].
Prevê-se que a introdução da lei de Murray no design de materiais possa revolucionar as propriedades destes materiais e lançar uma nova era nesse campo. No entanto, a lei de Murray original só é aplicável a processos de transferência de massa que não envolvam variações de massa [8,9].
Avanços teóricos significativos precisam ser feitos para aplicar o princípio de Murray de forma mais ampla aos campos da química, materiais aplicados e reações industriais.
Fonte: Zheng, X., Shen, G., Wang, C. et al. Bio-inspired Murray materials for mass transfer and activity. Nat Commun 8, 14921 (2017).
Exemplos de estudos científicos explorando a lei de Murray
Neste estudo, relatam uma estratégia de montagem sinérgica para criar uma membrana biomimética micro e nanofibrosa com transporte direcional de água antigravitacional e desempenho de secagem rápida, combinando uma estrutura porosa multiramificada e gradiente de energia superficial.
- Nano zeólito de faujite empilhado como material hierárquico Murray para melhorar a cinética de difusão de CO2
Os materiais zeólitos são amplamente utilizados na área de captura e armazenamento de carbono (CCS) devido à sua alta área superficial específica, boa estabilidade e baixo custo. No entanto, a estrutura microporosa da zeólita não favorece os processos de transferência e difusão de massa, o que limita a eficiência e a aplicação prática da captura de CO2. Neste estudo, projeta-se um material Murray hierárquico que consiste em pilhas de zeólitas de tamanho de partícula ultrapequeno (<20 nm) com base na lei de Murray para melhorar a cinética de difusão de CO2.