Mycket starka, lätta material som tål extremt höga temperaturer skulle kunna inleda nästa generations rymdfarkoster, förbättra befintliga enheter eller möjliggöra utvecklingen av nya tillämpningar för biomedicinsk avbildning eller lagring av väte, bland annat.
För detta ändamål har forskare från Rice University i Angel Martís labb upptäckt ett nytt sätt att göra nanorör av bornitrid med hög renhet, ihåliga cylindriska strukturer som tål temperaturer på upp till 900°C (~1 652°F) samtidigt som de är starkare än stål i vikt.
Enligt deras nya studie publicerad i Chemistry of Materials , Rice-forskare kom på hur man kan bli av med svåra att ta bort orenheter i bornitrid-nanorör med hjälp av fosforsyra och finjustera reaktionen.
"Utmaningen är att under syntesen av materialet, förutom tuber, får vi mycket extra saker", säger Kevin Shumard, doktorand i kemi och huvudförfattare till studien. "Som forskare vill vi arbeta med det renaste materialet vi kan så att vi begränsar variabler när vi experimenterar. Detta arbete tar oss ett steg närmare att göra material med potential att förnya hela industrier när de används som tillsatser till metaller eller keramiska kompositer för att gör dem ännu starkare."
De "extra saker" som vanligtvis stör kvaliteten och användbarheten av nanorören är burnitridburar - ihåliga sfärformade strukturer som kapslar in borpartiklar. En artikel publicerad i Journal of the American Chemical Society 2013, som visade att fosforsyra fungerade som ett bornitridvätmedel, inspirerade forskarna att undersöka om de kunde använda syran för att ta bort burarna.
"Vi förväntade oss ingen reaktion", säger Martí, professor i kemi, bioteknik och materialvetenskap och nanoteknik, ordförande för kemi och fakultetschef för Rice Emerging Scholars Program.
Och faktiskt, vid rumstemperatur hände ingenting. Men när de värmde upp saker fick forskarna en överraskning.
"När vi tittade genom mikroskopet såg vi inga rör och inga burar," sa Martí. "Istället fanns det pyramider."
Forskarna fick reda på att de höga temperaturerna och syrakoncentrationerna var destruktiva för bornitriden, så de reviderade sin hypotes och strävade istället efter att ställa in reaktionen så att den bara förstör oönskade strukturer i materialet.
"Genom en hel del experiment, utvecklade vi en helt ny riktning för rening av nanorör," sa Shumard. "Jag har tillbringat mycket tid framför ett elektronmikroskop och har läst en hel del tidningar med bilder av bornitrid-nanorör. Materialet vi kan göra är det i särklass renaste rör som jag har sett jämfört med andra."
Forskarna planerar att fortsätta sina ansträngningar för att förbättra reaktionsutbytet för att producera tillräckligt med nanorör för att tillverka fibrer, vilket kan vara ett lämpligt och mer hållbart alternativ till stål.
"Kväve utgör 70% av vår atmosfär, och bor är mycket rikligt i stenar," sa Shumard. "Detta arbete kan vara ett språngbräde till mycket bättre byggmaterial både vad gäller styrka och hållbarhet."
Strukturen hos bornitridnanorör är mycket lik den hos kolnanorör, och så är några av deras egenskaper som draghållfasthet och värmeledningsförmåga. Men nanorör av bornitrid är mer motståndskraftiga, och vissa av deras egenskaper är komplementära till deras kolmotsvarigheter.
"Till exempel kan kolnanorör vara elektriska ledare eller halvledare, medan bornitridnanorör är isolatorer," sa Martí. "Vetenskapen om bornitridnanorör är inte lika välutvecklad som vetenskapen om kolnanorör - en lucka som vi hoppades ta itu med i vår forskning eftersom vi tror att förmågan att producera rena bornitridnanorör effektivt och tillförlitligt kan vara viktig för ett brett spektrum av industrier."
Mer information: Kevin R. Shumard et al, Reactivity of Boron Nitride Nanomaterials with Phosphoric Acid and its Application in the Purification of Boron Nitride Nanorubes, Chemistry of Materials (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01424
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society , Materialens kemi
Tillhandahålls av Rice University
