Kolnanorör är legendariska i sin styrka-åtminstone 30 gånger starkare än kulstoppande Kevlar enligt vissa uppskattningar. Vid blandning med lätta polymerer som plast och epoxihartser, de små rören förstärker materialet, som armeringsjärn i ett betongblock, lovande lätta och starka material för flygplan, rymdskepp, bilar och till och med sportutrustning.

Även om sådana nanokompositer av kol-nanorörspolymer har väckt enormt intresse från materialforskningsgemenskapen, en grupp forskare har nu bevis på att ett annat nanorör - tillverkat av bornitrid - kan erbjuda ännu mer styrka per viktenhet. De publicerar sina resultat i tidningen Tillämpad fysikbokstäver .

Bornitrid, som kol, kan bilda enkel-atom-tjocka ark som rullas till cylindrar för att skapa nanorör. I sig själva är bornitridnanorör nästan lika starka som kolnanorör, men deras verkliga fördel i ett kompositmaterial kommer från deras sätt att hålla sig starkt till polymeren.

"Den svagaste länken i dessa nanokompositer är gränssnittet mellan polymeren och nanorören, "sade Changhong Ke, en docent på mekaniska avdelningen vid State University of New York i Binghamton. Om du bryter en komposit, nanorören som sticker ut har rena ytor, till skillnad från att ha bitar av polymer fortfarande fastnat vid dem. Det rena avbrottet indikerar att anslutningen mellan rören och polymeren misslyckas, Ke noterade.

Plocka nanorör

Ke och hans kollegor utarbetade ett nytt sätt att testa styrkan hos nanorörspolymerlänken. De slog in bornitrid -nanorör mellan två tunna lager av polymer, med några av nanorören kvar som sticker ut. De valde bara de rör som stack rakt ut ur polymeren, och svetsade sedan nanoröret till spetsen av en liten fribärare. Teamet applicerade en kraft på strålen och drog allt hårdare mot nanoröret tills det slet loss från polymeren.

Forskarna fann att kraften som krävs för att plocka ut ett nanorör först ökade med nanorörets längd, men sedan platå. Beteendet är ett tecken på att sambandet mellan nanoröret och polymeren misslyckas genom en spricka som bildas och sedan sprider sig, Sa Ke.

Forskarna testade två former av polymer:epoxi och poly (metylmetakrylat), eller PMMA, som är samma material som används för plexiglas. De fann att gränssnittet för epoxibornitrid-nanorör var starkare än gränssnittet PMMA-nanorör. De fann också att både polymer-bor-nitrid-nanorörbindningsstyrkorna var högre än de som rapporterades för kolnanorör-35 procent högre för PMMA-gränssnittet och cirka 20 procent högre för epoxigränssnittet.

Fördelarna med boritnitridnanorör

Bornitridnanorör binder troligen starkare till polymerer på grund av hur elektronerna är arrangerade i molekylerna, Ke förklarade. I kolnanorör, alla kolatomer har lika laddningar i sin kärna, så atomerna delar elektroner lika. I bornitrid, kväveatomen har fler protoner än boratomen, så det sviner mer av elektronerna i bindningen. Den ojämna laddningsfördelningen leder till en starkare attraktion mellan bornitrid och polymermolekylerna, som verifierats av molekylära dynamiksimuleringar utförda av Ke:s kollegor i Dr. Xianqiao Wangs grupp vid University of Georgia.

Boritridnanorör har också ytterligare fördelar jämfört med kolnanorör, Sa Ke. De är mer stabila vid höga temperaturer och de kan bättre absorbera neutronstrålning, båda fördelaktiga egenskaper i den extrema miljön i yttre rymden. Dessutom, bornitrid nanorör är piezoelektriska, vilket innebär att de kan generera en elektrisk laddning när de sträcks. Den här egenskapen innebär att materialet erbjuder energihämtning samt avkännings- och aktiveringsförmåga.

Den största nackdelen med bornitrid -nanorör är kostnaden. För närvarande säljer de för cirka $ 1, 000 per gram, jämfört med $ 10-20 per gram för kolnanorör, Sa Ke. Han är optimistisk att priset kommer att sjunka, fastän, noterar att kolnanorör var lika dyra när de först utvecklades.

"Jag tror att bornitrid -nanorör är framtiden för tillverkning av polymerkompositer för flygindustrin, " han sa.