Is boornitride in de nanobuiswetenschap de nieuwe koolstof?

Ingenieurs van het MIT en de Universiteit van Tokyo hebben structuren op centimeterschaal geproduceerd, groot genoeg voor het oog om te zien, die zijn gevuld met honderden miljarden holle uitgelijnde vezels, of nanobuisjes, gemaakt van hexagonaal boornitride.

Hexagonaal boornitride, of hBN, is een enkelvoudig atoom-dun materiaal dat is bedacht als “wit grafeen” vanwege zijn transparante uiterlijk en zijn gelijkenis met op koolstof gebaseerd grafeen in moleculaire structuur en sterkte. Het is ook bestand tegen hogere temperaturen dan grafeen en is elektrisch isolerend in plaats van geleidend. Wanneer hBN in buisjes op nanometerschaal of nanobuisjes wordt gerold, worden de uitzonderlijke eigenschappen ervan aanzienlijk verbeterd.

De resultaten van het team, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano, bieden een route naar het fabriceren van uitgelijnde boornitride-nanobuizen (A-BNNT’s) in bulk. De onderzoekers zijn van plan de techniek te gebruiken om op grote schaal arrays van deze nanobuisjes te fabriceren, die vervolgens kunnen worden gecombineerd met andere materialen om sterkere, meer hittebestendige composieten te maken, bijvoorbeeld om ruimtestructuren en hypersonische vliegtuigen af ​​te schermen.

Omdat hBN transparant en elektrisch isolerend is, overweegt het team ook om de BNNT’s in transparante ramen op te nemen en deze te gebruiken om sensoren in elektronische apparaten elektrisch te isoleren. Het team onderzoekt ook manieren om de nanovezels te weven tot membranen voor waterfiltratie en voor “blauwe energie” – een concept voor hernieuwbare energie waarbij elektriciteit wordt geproduceerd door de ionische filtering van zout water in zoet water.

Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT, vergelijkt de resultaten van het team met het decennialange, voortdurende streven van wetenschappers naar de productie van koolstofnanobuisjes op bulkschaal.

“In 1991 werd een enkele koolstofnanobuis geïdentificeerd als een interessant ding, maar het is 30 jaar geleden om in bulk uitgelijnde koolstofnanobuisjes te krijgen, en de wereld is er nog niet eens helemaal”, zegt Wardle. “Met het werk dat we doen, hebben we net ongeveer 20 jaar kortgesloten in het verkrijgen van grootschalige versies van uitgelijnde boornitride-nanobuisjes.”

Wardle is de senior auteur van de nieuwe studie, waaronder hoofdauteur en MIT-onderzoeker Luiz Acauan, voormalig MIT-postdoc Haozhe Wang, en medewerkers aan de Universiteit van Tokio.

Een visie, afgestemd

Net als grafeen heeft hexagonaal boornitride een moleculaire structuur die lijkt op kippengaas. In grafeen is deze configuratie van kippengaas volledig gemaakt van koolstofatomen, gerangschikt in een herhalend patroon van zeshoeken. Voor hBN zijn de zeshoeken samengesteld uit afwisselende atomen van boor en stikstof. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers ontdekt dat tweedimensionale platen van hBN uitzonderlijke eigenschappen van sterkte, stijfheid en veerkracht vertonen bij hoge temperaturen. Wanneer vellen hBN in nanobuisvorm worden gerold, worden deze eigenschappen verder verbeterd, vooral wanneer de nanobuisjes zijn uitgelijnd, zoals kleine bomen in een dicht opeengepakt bos.

Maar het vinden van manieren om stabiele BNNT’s van hoge kwaliteit te synthetiseren, is een uitdaging gebleken. Een handvol pogingen om dit te doen hebben geleid tot niet-uitgelijnde vezels van lage kwaliteit.

“Als je ze op één lijn kunt brengen, heb je een veel betere kans om de eigenschappen van BNNT op grote schaal te benutten om echte fysieke apparaten, composieten en membranen te maken”, zegt Wardle.

In 2020 ontdekten Rong Xiang en collega’s van de Universiteit van Tokio dat ze hoogwaardige boornitride-nanobuisjes konden produceren door eerst een conventionele benadering van chemische dampafzetting te gebruiken om een ​​bos van korte, enkele micronlange koolstofnanobuisjes te laten groeien. Vervolgens bedekten ze het op koolstof gebaseerde bos met “voorlopers” van boor- en stikstofgas, die, wanneer ze in een oven bij hoge temperaturen werden gebakken, op de koolstofnanobuizen kristalliseerden om hoogwaardige nanobuizen van hexagonaal boornitride met koolstofnanobuizen erin te vormen.

Brandende steigers

In de nieuwe studie hebben Wardle en Acauan de benadering van Xiang uitgebreid en geschaald, waarbij ze in wezen de onderliggende koolstofnanobuisjes verwijderen en de lange boornitride-nanobuisjes op zichzelf laten staan. Het team maakte gebruik van de expertise van Wardle’s groep, die zich jarenlang heeft gericht op het vervaardigen van hoogwaardige uitgelijnde arrays van koolstofnanobuisjes. Met hun huidige werk zochten de onderzoekers naar manieren om de temperaturen en drukken van het chemische dampafzettingsproces aan te passen om de koolstofnanobuizen te verwijderen terwijl de boornitride-nanobuizen intact bleven.

“De eerste paar keer dat we het deden, was het compleet lelijke rotzooi”, herinnert Wardle zich. “De buizen krulden zich op tot een bal en ze werkten niet.”

Uiteindelijk sloeg het team op een combinatie van temperaturen, drukken en voorlopers die het lukte. Met deze combinatie van processen reproduceerden de onderzoekers eerst de stappen die Xiang nam om de met boornitride gecoate koolstofnanobuizen te synthetiseren. Omdat hBN bestand is tegen hogere temperaturen dan grafeen, voerde het team vervolgens de hitte op om de onderliggende zwarte koolstof nanobuis-steiger weg te branden, terwijl de transparante, vrijstaande boornitride-nanobuisjes intact bleven.

In microscopische beelden observeerde het team duidelijke kristallijne structuren – bewijs dat de boornitride-nanobuisjes van hoge kwaliteit zijn. De structuren waren ook dicht: binnen een vierkante centimeter konden de onderzoekers een bos synthetiseren van meer dan 100 miljard uitgelijnde boornitride-nanobuizen, die ongeveer een millimeter hoog waren – groot genoeg om met het oog zichtbaar te zijn. Door nanobuis technische normen, worden deze afmetingen beschouwd als “bulk” in schaal.

“We zijn nu in staat om deze vezels op nanoschaal op bulkschaal te maken, wat nog nooit eerder is aangetoond”, zegt Acauan.

Om de flexibiliteit van hun techniek te demonstreren, synthetiseerde het team grotere op koolstof gebaseerde structuren, waaronder een weefsel van koolstofvezels, een mat van “fuzzy” koolstofnanobuizen en vellen willekeurig georiënteerde koolstofnanobuizen die bekend staan ​​als “buckypaper”. Ze bedekten elk op koolstof gebaseerd monster met boor- en stikstofprecursoren en ondergingen vervolgens hun proces om de onderliggende koolstof weg te branden. Bij elke demonstratie bleven ze achter met een boornitride-replica van de originele zwarte koolstofsteiger.

Ze waren ook in staat om de bossen van BNNT’s neer te halen en horizontaal uitgelijnde vezelfilms te produceren die een voorkeursconfiguratie zijn voor opname in composietmaterialen.

“We werken nu aan vezels om keramische matrixcomposieten te versterken, voor hypersonische en ruimtetoepassingen met zeer hoge temperaturen, en voor vensters voor apparaten die optisch transparant moeten zijn”, zegt Wardle. “Je zou transparante materialen kunnen maken die zijn versterkt met deze zeer sterke nanobuisjes.”