從宏觀到微觀：向自然界學(xué)習(xí)壓力物質(zhì)運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)化法則
——默里定律(Murray’s Law)淺析
序言
自然界中的所有動(dòng)物和植物都具有類似的網(wǎng)格狀等級結(jié)構(gòu)，比如葉子的葉脈、植物的根莖系統(tǒng)、人體的血管系統(tǒng)等等，這些結(jié)構(gòu)的存在不僅僅是為了保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)還確保了生命體在進(jìn)行新陳代謝與物質(zhì)能量傳遞過程中所受的阻力最小、運(yùn)輸?shù)男首罡摺?/p>
一、默里定律在自然界的應(yīng)用
我們都知道根據(jù)流量與流速的關(guān)系，當(dāng)液體從一個(gè)比較粗的管道流進(jìn)一個(gè)比較細(xì)的管道時(shí)，液體的流速會(huì)增加，同時(shí)細(xì)管的所受的液體壓力相對于粗管所承受的壓力來說也更大。但是通過對我們生物界的血液系統(tǒng)進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)不管是粗的血管還是細(xì)的血管，所受的壓力都不會(huì)太大?？茖W(xué)家默里通過觀察發(fā)現(xiàn)在人體中很多小血管從一個(gè)大血管分叉出去，所有小血管的橫截面積的總和大于大血管的橫截面，通過精確計(jì)算可以知道在一個(gè)最佳血液循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，大血管半徑的立方，大約等于小血管半徑的立方的總和。
圖1.人體血管與葉片脈絡(luò)的電鏡顯微圖
如上圖所示，在自然界中不管是動(dòng)物還是植物，涉及到物質(zhì)運(yùn)輸時(shí)，其運(yùn)輸管道都會(huì)遵循默里定律(血管、氣管、根系、葉脈等)，以使物質(zhì)傳輸效率達(dá)到最優(yōu)化，同時(shí)也使構(gòu)造力學(xué)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。
二、通過向自然界學(xué)習(xí)默里定律的應(yīng)用示例
2.1鋰離子電池
圖2.根據(jù)默里定律設(shè)計(jì)的多等級孔道電極材料示意圖
依據(jù)默里定律發(fā)現(xiàn)的自然界中動(dòng)植物物質(zhì)運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)化法則，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了上圖2所示的多等級孔隙電極材料，電極材料中的大孔、小孔、微孔的孔隙比率遵循了默里定律的最優(yōu)比。有這種結(jié)構(gòu)的電極材料由于鋰離子在其內(nèi)脫鋰嵌鋰的效率非常高，其充放電的倍率性能及比容量都比常規(guī)的氧化鋅電極材料高出很多，下圖是其充放電的性能示意圖：
充放電倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性能、比容量性能示意圖
2.2天然氣、水、石油運(yùn)輸
管道運(yùn)輸示意圖
西氣東輸、南水北調(diào)。。。這些石油、天然氣、水的大量運(yùn)輸過程中管道的粗細(xì)與運(yùn)輸速度和所承受的壓力要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算才能保證安全高效的運(yùn)輸工作，這里也體現(xiàn)了默里定律的重要性。
三、后記
“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，先人們通過模仿大自然的運(yùn)行規(guī)律，總結(jié)出來了很多可以被我們后人來學(xué)習(xí)和使用的規(guī)則與定律，通過對這些規(guī)則與定律的應(yīng)用，我們的生活水平與科技水平得到了飛速的提高。但是礙于之前我們的觀察能力，僅僅能對肉眼或者光學(xué)顯微鏡能夠看到的世界來進(jìn)行學(xué)習(xí)與模仿。
而現(xiàn)如今電子顯微鏡的存在極大的提高了我們觀察身邊的微觀世界，更有效的學(xué)習(xí)自然法則，研究微觀形貌結(jié)構(gòu)與宏觀材料性能的關(guān)系，制造出更先進(jìn)更優(yōu)異的材料及工具來改善我們現(xiàn)今的生活。
