3-D nanostruktur kan gavne nanoelektronik, gaslager

En tredimensionel porøs nanostruktur ville have en styrkebalance, sejhed og evne til at overføre varme, der kunne gavne nanoelektronik, gaslagring og kompositmaterialer, der udfører flere funktioner, ifølge ingeniører ved Rice University.

Forskerne lavede denne forudsigelse ved at bruge computersimuleringer til at skabe en række 3-D prototyper med bornitrid, en kemisk forbindelse lavet af bor- og nitrogenatomer. Deres resultater blev offentliggjort online den 14. juli i Journal of Physical Chemistry C .

3-D-prototyperne fusionerer endimensionelle bornitrid-nanorør og todimensionelle plader af bornitrid.

"Vi kombinerede rørene og pladerne sammen for at gøre dem tredimensionelle, dermed tilbyde mere funktionalitet, " sagde Rouzbeh Shahsavari, assisterende professor i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik, som var medforfatter til papiret sammen med kandidatstuderende Navid Sakhavand. I 3-D nanostrukturen, de ekstremt tynde plader af bornitrid er stablet i parallelle lag, med rørformede søjler af bornitrid mellem hvert lag for at holde pladerne adskilt.

Shahsavari bemærkede, at i de endimensionelle og todimensionelle versioner af bornitrid, der er altid en skævhed i retningsegenskaber, enten mod røraksen eller retninger i planet, som ikke er egnet til udbredt 3D-brug i teknologi og industrielle applikationer.

For eksempel, et endimensionelt bornitrid-nanorør kan strækkes omkring 20 procent af dets længde, før det knækker, men 3-D-prototypen af ​​bornitrid kan strækkes omkring 45 procent af sin længde uden at gå i stykker.

Når de typiske en- eller todimensionelle bornitridmaterialer strækkes i én retning, de har en tendens til at skrumpe i de andre vinkelrette retninger. I 3-D prototypen, imidlertid, når materialet strækker sig i in-plan retning, den strækker sig også i vinkelrette retninger. "Her, krydset mellem rørene og pladerne har en unik kurvelignende struktur, der bidrager til dette interessante fænomen, kendt som den auxetiske effekt, " sagde Shahsavari.

De termiske transportegenskaber af 3-D prototypen er også fordelagtige, han sagde. De endimensionelle bornitridrør og todimensionelle plader kan transportere varme meget hurtigt, men kun i en eller to retninger. 3-D-prototypen bærer varme relativt hurtigt i alle 3-D-retninger. "Denne funktion er ideel til applikationer, der kræver materialer eller belægning med evnen til ekstrem hurtig termisk diffusion til omgivelserne. Eksempler omfatter bilmotorer eller computer-CPU'er, hvor en hurtig varmeoverførsel til omgivelserne er afgørende for korrekt funktion, " sagde Shahsavari.

3-D bornitrid-prototypen har en meget porøs og let struktur. Hvert gram af denne schweiziske ostlignende struktur har et overfladeareal svarende til tre tennisbaner. Et så stort overfladeareal egner sig til skræddersyede applikationer. Shahsavari og Sakhavand forudsagde, at 3-D-prototypen af ​​bornitrid ville tillade effektiv gaslagring og separation, for eksempel, i køretøjer, der kører på brintceller.

I modsætning til grafen-baserede nanostrukturer, bornitrid er et elektrisk isolerende materiale. Dermed, 3-D bornitrid-prototypen har potentiale til at komplementere grafen-baseret nanoelektronik, herunder potentiale for den næste generation af 3-D halvledere og 3-D termiske transportenheder, der kan bruges i nanoskala kalorimetre, mikroelektroniske processer og makroskopiske køleskabe.

Den faktiske 3-D bornitrid-prototype skal stadig oprettes i laboratoriet, og mange indsatser er allerede i gang. "Vores computersimuleringer viser, hvilke egenskaber der kan forventes af disse strukturer, og hvad de nøglefaktorer er, der styrer deres funktionalitet, " sagde Shahsavari.