Een beetje zeep vereenvoudigt het maken van 2-D nanovlokken

Een klein beetje zeep helpt bij het opruimen van het uitdagende proces van het bereiden van tweedimensionaal hexagonaal boornitride (hBN).

Chemici van Rice University hebben een manier gevonden om de maximale hoeveelheid hoogwaardige 2-D hBN-nanobladen uit hun natuurlijke bulkvorm te halen door deze te verwerken met oppervlakteactieve stof (ook wel zeep genoemd) en water. De oppervlakteactieve stof omgeeft en stabiliseert de microscopisch kleine vlokken, waardoor hun eigenschappen behouden blijven.

Experimenten door het laboratorium van Rice-chemicus Angel Martí identificeerden de “sweet spot” voor het maken van stabiele dispersies van hBN, die kunnen worden verwerkt tot zeer dunne antibacteriële films die bestand zijn tegen temperaturen tot 900 graden Celsius (1652 graden Fahrenheit).

Het werk onder leiding van Martí, alumna Ashleigh Smith McWilliams en afgestudeerde student Cecilia Martínez-Jiménez wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Door ACS toegepaste nanomaterialen.

“Boornitridematerialen zijn interessant, vooral omdat ze extreem hittebestendig zijn”, zei Martí. “Ze zijn zo licht als grafeen en koolstofnanobuisjes, maar je kunt hBN in een vlam steken en er gebeurt niets mee.”

Hij zei dat bulk-hBN goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen is, maar dat het verwerken ervan tot microscopisch kleine bouwstenen een uitdaging was. “De eerste stap is om ze te kunnen exfoliëren en verspreiden, maar het onderzoek naar hoe dat te doen is versnipperd”, zei Martí. “Toen we besloten een benchmark vast te stellen, ontdekten we dat de processen die buitengewoon nuttig waren voor grafeen en nanobuisjes niet zo goed werken voor boornitride.”

Met ultrasone trillingen in bulk hBN in water werd het materiaal met succes geëxfolieerd en oplosbaar gemaakt. “Dat verbaasde ons, want nanobuisjes of grafeen drijven er gewoon bovenop”, zei Martí. “Het hBN verspreidde zich overal, hoewel ze niet bijzonder stabiel waren.

“Het bleek dat de randen van boornitridekristallen zijn gemaakt van amine- en stikstofoxidegroepen en boorzuur, en al deze groepen zijn polair (met positieve of negatieve lading),” zei hij. “Dus als je ze scrubt, zitten de randen vol met deze functionele groepen die echt van water houden. Dat gebeurt nooit met grafeen.”

Experimenten met negen oppervlakteactieve stoffen hielpen hen het juiste type en de juiste hoeveelheid te vinden om te voorkomen dat 2-D hBN samenklonterde zonder de afzonderlijke vlokken te veel af te snijden tijdens sonificatie. De onderzoekers gebruikten 1% per gewicht van elke oppervlakteactieve stof in water, voegden 20 milligram bulk hBN toe, roerden en sonificeerden het mengsel.

Het draaien van de resulterende oplossingen met lage en hoge snelheden toonde aan dat de grootste opbrengst kwam met de oppervlakteactieve stof die bekend staat als PF88 onder 100-zwaartekrachtcentrifugatie, maar de nanobladen van de hoogste kwaliteit kwamen van alle ionische oppervlakteactieve stoffen onder 8.000 g centrifugeren, met de grootste stabiliteit van gewone ionische oppervlakteactieve stoffen SDS en CTAC.

DTAB – een afkorting van dodecyltrimethylammoniumbromide – bleek onder hoge centrifugatie het beste in evenwicht te brengen tussen de opbrengst en kwaliteit van 2-D hBN. De onderzoekers maakten ook een transparante film van hBN-nanobladen verspreid in SDS en water om te laten zien hoe ze kunnen worden verwerkt tot nuttige producten.

“We beschrijven de stappen die u moet nemen om hoogwaardige hBN-vlokken te produceren”, aldus Martí. “Alle stappen zijn belangrijk en we hebben de gevolgen van elke stap aan het licht kunnen brengen.”