Weg naar voorloper van robuuste nanobuisjes die zouden kunnen leiden tot wijdverbreide industriële fabricage

Wetenschappers hebben een chemisch pad geïdentificeerd naar een innovatief isolerend nanomateriaal dat zou kunnen leiden tot grootschalige industriële productie voor verschillende toepassingen, waaronder in ruimtepakken en militaire voertuigen. Het nanomateriaal – duizenden keren dunner dan een mensenhaar, sterker dan staal en onbrandbaar – kan bijvoorbeeld de straling van astronauten blokkeren en helpen bij het versterken van de bepantsering van militaire voertuigen.

Gezamenlijke onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een stapsgewijze chemische route voorgesteld naar de voorlopers van dit nanomateriaal, bekend als boornitride-nanobuisjes (BNNT), wat zou kunnen leiden tot hun grote -schaal productie.

“Pionierswerk”

De doorbraak brengt plasmafysica en kwantumchemie samen en maakt deel uit van de uitbreiding van het onderzoek bij PPPL. “Dit is baanbrekend werk dat het laboratorium in nieuwe richtingen brengt”, zegt PPPL-natuurkundige Igor Kaganovich, hoofdonderzoeker van het BNNT-project en co-auteur van het artikel dat de resultaten in het tijdschrift beschrijft. Nanotechnologie.

Medewerkers identificeerden de belangrijkste chemische routestappen als de vorming van moleculaire stikstof en kleine clusters van boor, die chemisch kunnen reageren als de temperatuur die wordt gecreëerd door een plasmastraal afkoelt, zei hoofdauteur Yuri Barsukov van de Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. Hij ontwikkelde de chemische reactiepaden door kwantumchemiesimulaties uit te voeren met de hulp van Omesh Dwivedi, een PPPL-stagiair van de Drexel University, en Sierra Jubin, een afgestudeerde student in het Princeton-programma in plasmafysica.

Het interdisciplinaire team bestond uit Alexander Khrabry, een voormalig PPPL-onderzoeker nu bij Lawrence Livermore National Laboratory, die een thermodynamische code ontwikkelde die in dit onderzoek wordt gebruikt, en PPPL-natuurkundige Stephane Ethier die de studenten hielp bij het samenstellen van de software en het opzetten van de simulaties.

De resultaten losten het mysterie op van hoe moleculaire stikstof, die de op één na sterkste chemische binding heeft tussen diatomische of dubbel-atoommoleculen, toch uit elkaar kan vallen door reacties met boor om verschillende boornitride-moleculen te vormen, zei Kaganovich. “We hebben veel tijd besteed aan het nadenken over hoe we boornitride-verbindingen uit een mengsel van boor en stikstof kunnen krijgen,” zei hij. “Wat we ontdekten was dat kleine clusters van boor, in tegenstelling tot veel grotere boordruppels, gemakkelijk interageren met stikstofmoleculen. Daarom hadden we een kwantumchemicus nodig om de gedetailleerde kwantumchemieberekeningen met ons door te nemen.”

BNNT’s hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met koolstofnanobuisjes, die per ton worden geproduceerd en in alles worden aangetroffen, van sportartikelen en sportkleding tot tandheelkundige implantaten en elektroden. Maar de grotere moeilijkheid om BNNT’s te produceren, heeft hun toepassingen en beschikbaarheid beperkt.

Chemische route

Demonstratie van een chemische route naar de vorming van BNNT-precursoren zou de BNNT-productie kunnen vergemakkelijken. Het proces van BNNT-synthese begint wanneer wetenschappers een 10.000 graden plasmastraal gebruiken om boor- en stikstofgas om te zetten in plasma dat bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, ingebed in een achtergrondgas. Dit laat zien hoe het proces verloopt:

• De straal verdampt het boor terwijl de moleculaire stikstof grotendeels intact blijft;
• Het boor condenseert tot druppeltjes als het plasma afkoelt;
• De druppeltjes vormen kleine clusters als de temperatuur daalt tot een paar duizend graden;
• De cruciale volgende stap is de reactie van stikstof met kleine clusters van boormoleculen om boor-stikstofketens te vormen;
• De ketens worden langer door met elkaar in botsing te komen en vouwen zich op tot voorlopers van boornitride-nanobuisjes.

“Tijdens de synthese bij hoge temperatuur is de dichtheid van kleine boorclusters laag,” zei Barsukov. “Dit is de belangrijkste belemmering voor grootschalige productie.”

De bevindingen hebben een nieuw hoofdstuk geopend in de synthese van BNNT-nanomateriaal. “Na twee jaar werk hebben we de weg gevonden”, zei Kaganovich. “Terwijl boor condenseert, vormt het grote clusters waar stikstof niet mee reageert. Maar het proces begint met kleine clusters waarmee stikstof reageert en er is nog steeds een percentage kleine clusters naarmate de druppeltjes groter worden,” zei hij.

“Het mooie van dit werk”, voegde hij eraan toe, “is dat we, aangezien we experts hadden in plasma- en vloeistofmechanica en kwantumchemie, al deze processen samen in een interdisciplinaire groep konden doorlopen. Nu moeten we mogelijke BNNT-uitvoer van ons model vergelijken met experimenten. Dat wordt de volgende fase van modelleren.”