En tredimensionell porös nanostruktur skulle ha en styrka, seghet och förmåga att överföra värme som kan gynna nanoelektronik, gaslagring och kompositmaterial som utför flera funktioner, enligt ingenjörer vid Rice University.

Forskarna gjorde denna förutsägelse genom att använda datorsimuleringar för att skapa en serie 3D-prototyper med bornitrid, en kemisk förening gjord av bor- och kväveatomer. Deras resultat publicerades online den 14 juli i Journal of Physical Chemistry C .

3D-prototyperna smälter samman endimensionella bornitrid-nanorör och tvådimensionella ark av bornitrid.

"Vi kombinerade rören och arken för att göra dem tredimensionella, vilket ger mer funktionalitet, sa Rouzbeh Shahsavari, biträdande professor i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik, som skrev uppsatsen tillsammans med doktoranden Navid Sakhavand. I 3D nanostrukturen, de extremt tunna arken av bornitrid är staplade i parallella lager, med rörformade pelare av bornitrid mellan varje lager för att hålla arken åtskilda.

Shahsavari noterade att i de endimensionella och tvådimensionella versionerna av bornitrid, det finns alltid en bias i riktningsegenskaper, antingen mot röraxeln eller i riktningar i planet, som inte är lämplig för utbredd 3D-användning i teknik och industriella tillämpningar.

Till exempel, ett endimensionellt bornitrid-nanorör kan sträckas cirka 20 procent av sin längd innan det går sönder, men 3D-prototypen av bornitrid kan sträckas cirka 45 procent av sin längd utan att gå sönder.

När de typiska en- eller tvådimensionella bornitridmaterialen sträcks i en riktning, de tenderar att krympa i de andra vinkelräta riktningarna. I 3D-prototypen, dock, när materialet sträcker sig i riktning i planet, den sträcker sig också i vinkelräta riktningar. "Här, kopplingen mellan rören och plåtarna har en unik kurvliknande struktur som bidrar till detta intressanta fenomen, känd som den auxetiska effekten, sa Shahsavari.

De termiska transportegenskaperna hos 3D-prototypen är också fördelaktiga, han sa. De endimensionella bornitridrören och tvådimensionella ark kan transportera värme mycket snabbt men bara i en eller två riktningar. 3D-prototypen bär värme relativt snabbt i alla 3D-riktningar. "Denna funktion är idealisk för applikationer som kräver material eller beläggning med förmågan till extremt snabb termisk diffusion till miljön. Exempel inkluderar bilmotorer eller datorprocessorer där en snabb värmeöverföring till miljön är avgörande för att fungera korrekt, sa Shahsavari.

3-D bornitrid-prototypen har en mycket porös och lätt struktur. Varje gram av denna schweiziska ostliknande struktur har en yta som motsvarar tre tennisbanor. En så stor yta lämpar sig för skräddarsydda applikationer. Shahsavari och Sakhavand förutspådde att 3D-prototypen av bornitrid skulle möjliggöra effektiv gaslagring och separation, till exempel, i fordon som körs på väteceller.

Till skillnad från grafenbaserade nanostrukturer, bornitrid är ett elektriskt isolerande material. Således, 3-D bornitrid-prototypen har potential att komplettera grafenbaserad nanoelektronik, inklusive potential för nästa generation av 3-D-halvledare och 3-D-värmetransportanordningar som kan användas i nanoskalorimetrar, mikroelektroniska processer och makroskopiska kylskåp.

Den faktiska 3-D bornitridprototypen måste fortfarande skapas i labbet, och många ansträngningar pågår redan. "Våra datorsimuleringar visar vilka egenskaper som kan förväntas av dessa strukturer och vilka nyckelfaktorerna är som styr deras funktionalitet, sa Shahsavari.