對于大多數(shù)生物而言，吸入和呼出空氣的動作是自動完成的，通常人們認為這是非常簡單的，但事實上哺乳動物呼吸過程是自然界最復(fù)雜的雙向氣體交換系統(tǒng)之一。隨著每次呼吸，空氣通過肺部通道狀細支氣管，最終抵達肺泡。在肺泡中氣體必須進入血液而不是簡單地擴散，這將導(dǎo)致有害氣泡形成。肺泡的獨特結(jié)構(gòu)——包括一層1微米厚的薄膜，薄膜內(nèi)部防水，排斥水分子，薄膜外部吸收水分子，從而阻止氣泡的形成，并促使氣體交換變得更加高效。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授崔毅團隊從哺乳動物肺呼吸過程中獲得了靈感，并用于開發(fā)更好的電催化劑——一種在電極上加速化學(xué)反應(yīng)的材料。研究報告第一作者李軍說：“清潔能源技術(shù)現(xiàn)已證實具有快速將氣體反應(yīng)劑輸送到反應(yīng)界面的能力，但是反向途徑——從催化劑/電解質(zhì)界面生成高效氣體產(chǎn)物，仍具有很大的挑戰(zhàn)性。”

研究小組從機械結(jié)構(gòu)上模擬肺泡，并進行了兩種不同的進程，改善驅(qū)動燃料電池和金屬—空氣電池等可持續(xù)性技術(shù)的反應(yīng)過程。第一個進程類似呼氣，這種機制通過電池陽極氧化水分子，同時在負極進行還原，將水分解成為氫氣—— 一種清潔燃料。同時，該反應(yīng)過程通過一層聚乙烯制成的肺泡結(jié)構(gòu)快速生成和運輸氧氣，而不需要形成氣泡的能量消耗。

第二個進程更像是吸入空氣，通過消耗氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生能量，氧氣被輸送到電極表面的催化劑上，可以作為電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)劑。

雖然該裝置仍處于開發(fā)早期階段，但是未來應(yīng)用前景被看好。與傳統(tǒng)碳基氣體擴散層相比，這種超薄納米聚乙烯薄膜具有較長時間防水性能，并且該模型能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)設(shè)計更高的氣流密度和更低的電位。

研究者稱，這種以肺部為靈感的最新設(shè)計在投入商業(yè)應(yīng)用之前仍有一定的改進空間。由于納米聚乙烯薄膜是一種聚合物基礎(chǔ)薄膜，它無法承受超過100攝氏度的高溫，從而限制了其應(yīng)用范圍。研究小組認為，這種材料可能使用類似超薄納米防水膜替代，這種超薄納米防水膜能夠承受更高的能量。目前他們計劃將其他電催化劑整合到設(shè)備設(shè)計之中，充分發(fā)揮其催化能力。（楊艷）