Chemici vinden een nieuwe manier om boornitride-nanobuisjes te ontdoen van onzuiverheden

Zeer sterke, lichte materialen die bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen kunnen onder meer ruimtevaartuigen van de volgende generatie inluiden, huidige apparaten verbeteren of de ontwikkeling van nieuwe toepassingen op het gebied van biomedische beeldvorming of waterstofopslag mogelijk maken.

Daartoe hebben wetenschappers van Rice University in het laboratorium van Angel Martí een nieuwe manier ontdekt om zeer zuivere boornitride-nanobuisjes te maken: holle cilindrische structuren die temperaturen tot 900 °C (~1652 °F) kunnen weerstaan ​​en tegelijkertijd sterker zijn. dan staal qua gewicht.

Volgens hun nieuwe studie gepubliceerd in Chemie van materialenRijstonderzoekers hebben ontdekt hoe ze moeilijk te verwijderen onzuiverheden in boornitride-nanobuisjes kunnen verwijderen met behulp van fosforzuur en de reactie kunnen verfijnen.

“De uitdaging is dat we tijdens de synthese van het materiaal, naast buizen, met veel extra dingen eindigen”, zegt Kevin Shumard, een doctoraatsstudent scheikunde en hoofdauteur van het onderzoek. “Als wetenschappers willen we werken met het zuiverste materiaal dat we kunnen, zodat we variabelen beperken terwijl we experimenteren. Dit werk brengt ons een stap dichter bij het maken van materialen met het potentieel om hele industrieën te vernieuwen wanneer ze worden gebruikt als additieven voor metalen of keramische composieten om maak die nog sterker.”

Het ‘extra spul’ dat gewoonlijk de kwaliteit en bruikbaarheid van de nanobuisjes bederft, zijn kooien van boornitride: holle bolvormige structuren waarin boordeeltjes zijn ingekapseld. Een krant gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society uit 2013 bleek dat fosforzuur werkte als een bevochtigingsmiddel voor boornitride, wat de onderzoekers inspireerde om te onderzoeken of ze het zuur konden gebruiken om de kooien te verwijderen.

“We hadden geen reactie verwacht”, zegt Martí, hoogleraar scheikunde, bio-engineering en materiaalkunde en nano-engineering, voorzitter van de scheikunde en faculteitsdirecteur van het Rice Emerging Scholars Program.

En inderdaad, bij kamertemperatuur gebeurde er niets. Maar toen ze de boel verhitten, kregen de onderzoekers een verrassing.

“Toen we door de microscoop keken, zagen we geen buizen en geen kooien”, zei Martí. “In plaats daarvan waren er piramides.”

De onderzoekers ontdekten dat de hoge temperaturen en zuurconcentraties destructief waren voor het boornitride, dus herzagen ze hun hypothese en probeerden in plaats daarvan de reactie zo af te stemmen dat alleen ongewenste structuren in het materiaal werden vernietigd.

“Door veel te experimenteren hebben we een compleet nieuwe richting ontwikkeld voor de zuivering van nanobuisjes”, zei Shumard. “Ik heb veel tijd voor een elektronenmicroscoop doorgebracht en veel artikelen gelezen met afbeeldingen van boornitride-nanobuisjes. Het materiaal dat we kunnen maken is veruit de zuiverste buizen die ik heb gezien in vergelijking met andere.”

De onderzoekers zijn van plan hun inspanningen voort te zetten om de reactieopbrengsten te verbeteren, zodat er voldoende nanobuisjes worden geproduceerd om vezels te maken, wat een geschikt en duurzamer alternatief voor staal zou kunnen zijn.

“Stikstof maakt 70% uit van onze atmosfeer, en boor is zeer overvloedig aanwezig in rotsen”, zei Shumard. “Dit werk zou een opstap kunnen zijn naar veel betere bouwmaterialen, zowel qua sterkte als qua duurzaamheid.”

De structuur van boornitride-nanobuisjes lijkt sterk op die van koolstofnanobuisjes, en dat geldt ook voor enkele van hun eigenschappen, zoals treksterkte en thermische geleidbaarheid. Boriumnitride-nanobuisjes zijn echter veerkrachtiger en sommige eigenschappen zijn complementair aan hun koolstof-tegenhangers.

“Koolstofnanobuisjes kunnen bijvoorbeeld elektrische geleiders of halfgeleiders zijn, terwijl boornitride-nanobuisjes isolatoren zijn”, zei Martí. “De wetenschap over boornitride-nanobuisjes is niet zo goed ontwikkeld als de wetenschap over koolstofnanobuisjes – een leemte die we hoopten te dichten in ons onderzoek, omdat we denken dat het vermogen om zuivere boornitride-nanobuisjes efficiënt en betrouwbaar te produceren belangrijk zou kunnen zijn voor een breed scala van industrieën.”