Verrassende veelzijdigheid van boornitride nanobuisjes weergegeven in fusie van kunst en wetenschap

In een elegante fusie van kunst en wetenschap hebben onderzoekers van de Rice University een belangrijke mijlpaal bereikt in nanomaterialen engineering door te ontdekken hoe boornitride nanobuisjes (BNNT’s) – uitgerust voor hun sterkte, thermische stabiliteit en isolerende eigenschappen – kan worden afgepakt in het vormen van bestelde vloeibare kristallijnfasen in water. Hun werk, gepubliceerd in Langmuirwas zo visueel opvallend dat het de omslag van het dagboek sierde.

Dat levendige beeld vertegenwoordigt echter meer dan alleen de schoonheid van de wetenschap op het nanoschaal. Het vangt de essentie van een nieuwe, schaalbare methode om BNNT’s uit te lijnen in waterige oplossingen met behulp van een gemeenschappelijke galzalte oppervlakteactieve stof-Sodiumdeoxycholaat (SDC)-die de deur naar de volgende generatie materialen voor ruimtevaart, elektronica en daarnaasting beogen.

“Dit werk is vanuit fundamentele oogpunt zeer interessant omdat het aantoont dat BNNT’s kunnen worden gebruikt als modelsystemen om nieuwe nanorod -vloeibare kristallen te bestuderen,” zei Matteo Pasquali, de AJ Hartsoog -professor in chemische en biomoleculaire engineering, hoogleraar chemie, materialenwetenschappen en nano -engineering en overeenkomstige auteur van de studie.

“Het belangrijkste voordeel is dat BNNT’s relatief transparant zijn en gemakkelijk worden bestudeerd via zichtbaar licht in tegenstelling tot koolstofnanobuizen, die donkere vloeibare kristallen vormen die moeilijk te onderzoeken zijn via lichtmicroscopie.”

Voor de eerste auteur Joe Khoury was de studie meer dan routinewetenschap. Opgeleid als architect in Syrië, ging hij over naar chemische technologie nadat hij naar de VS was verhuisd, maar zijn achtergrond in visueel ontwerp heeft hem misschien geholpen te zien iets dat anderen misschien hadden gemist.

Tijdens een routinematige zuiveringsstap merkte hij dat naarmate water uit de dispersie werd gefilterd, het overgebleven materiaal dik werd en onder gepolariseerd licht gloeide – een kenmerk van vloeibare kristalvorming. Geïnspireerd door deze observatie, veronderstelde het team dat het verhogen van de SDC-concentratie BNNT’s zou drijven om zelf te assembleren in geordende nematische fasen.

Om hun hypothese te testen, voerden de onderzoekers een zorgvuldige reeks experimenten uit, waarbij BNNT-SDC-dispersies in verschillende concentraties werden bereikt. Ze gebruikten gepolariseerde lichtmicroscopie om de overgang van ongeordende toestanden te observeren naar gedeeltelijk geordende en vervolgens volledig geordende vloeibare kristallijne fasen. Cryogene elektronenmicroscopie zorgde voor een hoge resolutie bevestiging van BNNT-uitlijning.

Cruciaal is dat ze het eerste uitgebreide fasediagram voor BNNT’s in oppervlakteactieve oplossingen produceerden – een voorspellende kaart waarmee wetenschappers kunnen anticiperen op hoe BNNT’s zich zullen gedragen in verschillende concentratieverhoudingen.

“Niemand had dit eerder gedaan,” zei Khoury. “Eerdere studies werkten bij lage BNNT -concentraties of gebruikten te weinig oppervlakteactieve stof. We hebben aangetoond dat als je beide in de juiste verhouding verhoogt, je vloeibare kristallijne ordening kunt activeren zonder harde chemicaliën of gecompliceerde procedures te gebruiken.”

Naast het in kaart brengen van fasegedrag volgde het team een ​​eenvoudige, reproduceerbare methode om deze dispersies om te zetten in dunne, goed uitgelijnde BNNT-films. Met behulp van een gespecialiseerd mes om het materiaal op een glazen dia te scheuren, fabriceerden ze transparante, robuuste films die ideaal zijn voor thermisch beheer en structurele versterkingstoepassingen (denk aan lichtere, sterkere en meer warmtetolerante componenten in technische apparaten of vliegtuigen). Met behulp van röntgendiffractie en elektronenmicroscopie bevestigde het team de uitlijning op nanoschaalniveau.

“We hebben aangetoond dat nematische afstemming in oplossing kan worden bewaard en vertaald in solide films,” zei Khoury. “Dat maakt dit een zeer schaalbaar platform voor volgende generatie materialen.”

De studie legt de basis voor nieuw onderzoek naar lyotrope vloeibare kristallen gevormd uit nanoroden. De eenvoud – geen sterke zuren, geen barre omstandigheden – maakt het toegankelijk voor laboratoria wereldwijd. En de implicaties ervan strekken zich uit van theoretische fysica tot engineering van commerciële materialen.

“Dit is nog maar het begin,” zei Pasquali. “Met deze routekaart kunnen we nu onderzoeken hoe BNNT-uitlijning voor specifieke toepassingen kan worden afgestemd. Het gaat niet alleen om het maken van films; het gaat over het begrijpen van een hele nieuwe klasse functionele nanomaterialen.”

Pasquali voegde eraan toe dat de schoonheid van de beelden fascinerend was.

“Toen Joe me kandidaat -afbeeldingen voor de hoes stuurde, had ik het gevoel dat ik naar schilderijen van Dali of Van Gogh keek,” zei Pasquali. “Het omslagbeeld kan de toren van Barad-Dur zijn van ‘The Lord of the Rings’ geschilderd door een surrealistische kunstenaar.”

Khoury voegde eraan toe dat dit onderzoek niet mogelijk zou zijn geweest zonder de begeleiding en mentorschap van zijn team en co-auteurs, waaronder Pasquali; Angel Martí, professor en voorzitter van chemie en hoogleraar bio -engineering en materialenwetenschappen en nanoengineering in rijst; Cheol Park van NASA Langley Research Center; Lyndsey Scammell van Bnnt LLC; en Yeshayahu Talmon bij onder andere het Technion-Israel Institute of Technology Institute of Technology.