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受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器

2023-12-4 30 12/4

东部蓝鸟是一种北美鸫鸟,其羽毛独特的微观结构启发人们创造出一种生产简单、可扩展且坚固耐用的新型合成材料,这种材料可用于电池和滤水器。东部蓝鸟的翅膀之所以呈现出夺目的绚丽蓝色,是因为它的羽毛中有一个直径只有几百纳米的通道网络。苏黎世联邦理工学院的研究团队看到了这种网络结构作为可用材料的潜力,于是尝试在实验室中复制这种结构。

受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器

研究人员使用透明硅橡胶作为起始材料,将其置于油性溶液中,在加热到 140 °F(60 °C)的烤箱中让其膨胀数天。然后将其冷却以降低液体的溶解度,并从油性溶液中提取橡胶。

研究人员在显微镜下分析这种材料,查看其纳米结构在加工过程中发生了哪些变化,结果发现其网络结构与蓝鸟羽毛中的网络结构相似。唯一真正的区别是形成的通道的厚度;在羽毛中,通道的厚度约为 200 纳米,而在合成材料中,通道的厚度为 800 纳米。

受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器

东部蓝鸟及其羽毛的微观结构(左)与合成材料及其结构(D)的对比(图片:Fernández-Rico

在材料中形成新颖网络结构的关键是相分离。您可能在厨房里尝试混合油和醋制作沙拉酱时遇到过这种现象。摇晃时液体确实会混合,但停止摇晃后就会分离。不过,也可以使用另一种方法来混合油和醋:加热,然后冷却。研究人员在这里应用了这一原理,中断这一过程就能产生所需的通道。

该研究的第一作者卡拉-费尔南德斯-里科(Carla Fernández-Rico)说:"我们能够控制和选择条件,从而在相分离过程中形成通道。我们成功地在两相再次完全融合之前停止了这一过程"。

受东部蓝鸟羽毛启发的新材料可用于构建更好的电池和滤水器

用于制造新型合成材料的相分离过程Fernández-Rico et al.

研究人员使用这种方法制造出了几厘米大小的合成材料,而且这种材料是可扩展的。

里科说:"原则上你可以使用一块任意大小的橡胶塑料。不过也需要相应的大型容器和烤箱。"

研究人员说,他们的新型材料已经引起了物理学界的兴趣:"我们有一个仅由两种成分组成的简单系统,但最终获得的结构却非常复杂,并受成分特性的控制。一些理论小组已经与我们进行了接触,他们建议使用物理模型来理解这一新过程的关键物理原理,并预测其结果。"

实际上,他们说这种材料有可能用于电池和滤水器。对于滤水器来说,如果使用通道式结构,表面积与体积的比例就会非常大,从而更有效地去除污染物。如果表面积不足,固体物质就会高速撞击滤料,导致过滤器表面膜或底层滤料过早降解。过滤面积不足还会增加通过系统的压降,导致能耗增加。

电池电解液是电池内部的液体或糊状溶液,在阴极和阳极之间传输带正电的离子。电池随着时间的推移而失去充电能力或失效的原因之一是离子与电解液发生反应,导致电极发生物理接触并损坏电池。用这种材料制成的固体电解质可以避免电极之间的物理接触,同时保持电池中离子的良好传输。

里科说:"然而,该产品距离投放市场还有很长的路要走。橡胶材料既便宜又容易获得,而油性相却相当昂贵。这里需要一对不那么昂贵的材料"。

研究人员计划改进这种材料,重点关注其可持续性。许多天然聚合物,如纤维素或甲壳素,其结构与我们工作中使用的橡胶相似。

这项研究发表在《自然-材料》杂志上。