Forskare har identifierat en kemisk väg till ett innovativt isolerande nanomaterial som kan leda till storskalig industriell produktion för en mängd olika användningsområden – inklusive i rymddräkter och militärfordon. Nanomaterialet - tusentals gånger tunnare än ett människohår, starkare än stål och obrännbart – kan blockera strålning för astronauter och hjälpa till att rusta upp militärfordon, till exempel.

Samarbetande forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har föreslagit en steg-för-steg kemisk väg till prekursorerna till detta nanomaterial, känd som bornitrid nanorör (BNNT), vilket skulle kunna leda till storskalig produktion.

"Pionjärarbete"

Genombrottet för samman plasmafysik och kvantkemi och är en del av utbyggnaden av forskningen vid PPPL. "Detta är banbrytande arbete som tar laboratoriet i nya riktningar, " sa PPPL-fysikern Igor Kaganovich, huvudutredare för BNNT-projektet och medförfattare till artikeln som beskriver resultaten i tidskriften Nanoteknik .

Samarbetspartners identifierade de viktigaste kemiska stegen som bildandet av molekylärt kväve och små kluster av bor, som kan reagera kemiskt tillsammans när temperaturen som skapas av en plasmastråle svalnar, sa huvudförfattaren Yuri Barsukov från Peter den store polytekniska universitetet i St. Petersburg. Han utvecklade de kemiska reaktionsvägarna genom att utföra kvantkemi simuleringar med hjälp av Omesh Dwivedi, en PPPL praktikant från Drexel University, och Sierra Jubin, en doktorand i Princeton-programmet i plasmafysik.

Det tvärvetenskapliga teamet inkluderade Alexander Khrabry, en tidigare PPPL-forskare nu vid Lawrence Livermore National Laboratory som utvecklade en termodynamisk kod som används i denna forskning, och PPPL-fysikern Stephane Ethier som hjälpte eleverna att kompilera programvaran och ställa in simuleringarna.

Resultaten löste mysteriet om hur molekylärt kväve, som har den näst starkaste kemiska bindningen bland diatomiska, eller dubbelatommolekyler, kan ändå bryta isär genom reaktioner med bor för att bilda olika bornitridmolekyler, sa Kaganovich. "Vi ägnade mycket tid åt att fundera på hur vi ska få bornitridföreningar från en blandning av bor och kväve, " sa han. "Det vi hittade var att små kluster av bor, i motsats till mycket större bortroppar, interagerar lätt med kvävemolekyler. Det är därför vi behövde en kvantkemist för att gå igenom de detaljerade kvantkemiberäkningarna med oss."

BNNT har egenskaper som liknar kolnanorör, som tillverkas av ton och finns i allt från sportartiklar och sportkläder till tandimplantat och elektroder. Men den större svårigheten att producera BNNT har begränsat deras applikationer och tillgänglighet.

Kemisk väg

Demonstration av en kemisk väg till bildandet av BNNT-prekursorer skulle kunna underlätta BNNT-produktion. Processen för BNNT-syntes börjar när forskare använder en 10, 000-graders plasmastråle för att omvandla bor- och kvävgas till plasma som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, inbäddad i en bakgrundsgas. Detta visar hur processen utvecklas:

• Strålen förångar bor medan det molekylära kvävet i stort sett förblir intakt;
• Boret kondenseras till droppar när plasman svalnar;
• Dropparna bildar små klasar när temperaturen sjunker till några tusen grader;
• Det kritiska nästa steget är reaktionen av kväve med små kluster av bormolekyler för att bilda bor-kväve-kedjor;
• Kedjorna växer längre genom att kollidera med varandra och vikas till prekursorer av bornitrid-nanorör.

"Under högtemperatursyntesen är densiteten hos små borkluster låg, ", sa Barsukov. "Detta är det främsta hindret för storskalig produktion."

Resultaten har öppnat ett nytt kapitel i BNNT nanomaterialsyntes. "Efter två års arbete har vi hittat vägen, ", sa Kaganovich. "När bor kondenserar bildar det stora kluster som kväve inte reagerar med. Men processen börjar med små kluster som kväve reagerar med och det finns fortfarande en andel små kluster när dropparna växer sig större, " han sa.

"Skönheten med detta arbete, " han lade till, "är att eftersom vi hade experter inom plasma- och vätskemekanik och kvantkemi kunde vi gå igenom alla dessa processer tillsammans i en tvärvetenskaplig grupp. Nu måste vi jämföra möjliga BNNT-utdata från vår modell med experiment. Det blir nästa steg av modellering ."