Flyt kulstof til side:Bornitrid-forstærkede materialer er endnu stærkere

Carbon nanorør er legendariske i deres styrke - mindst 30 gange stærkere end kuglestoppende Kevlar efter nogle skøn. Når det blandes med lette polymerer som plast og epoxyharpikser, de små rør forstærker materialet, som armeringsjernet i en betonblok, lover lette og stærke materialer til fly, rumskibe, biler og endda sportsudstyr.

Mens sådanne nanokompositter af kulstofnanorør-polymer har tiltrukket sig enorm interesse fra materialeforskningssamfundet, en gruppe forskere har nu beviser for, at et andet nanorør - lavet af bornitrid - kunne tilbyde endnu mere styrke pr. vægtenhed. De offentliggør deres resultater i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

Bornitrid, som kulstof, kan danne enkelt-atom-tykke plader, der rulles til cylindre for at skabe nanorør. Bornitrid nanorør er i sig selv næsten lige så stærke som kulstof nanorør, men deres reelle fordel i et kompositmateriale kommer fra den måde, de klæber stærkt til polymeren.

"Det svageste led i disse nanokompositter er grænsefladen mellem polymeren og nanorørene, " sagde Changhong Ke, en lektor i maskiningeniørafdelingen ved State University of New York i Binghamton. Hvis du bryder en komposit, de nanorør, der stikker ud, har rene overflader, i modsætning til at have klumper af polymer stadig klistret til dem. Det rene brud indikerer, at forbindelsen mellem rørene og polymeren svigter, Ke bemærkede.

Plukning af nanorør

Ke og hans kolleger udtænkte en ny måde at teste styrken af ​​nanorør-polymer-forbindelsen. De lagde bornitrid nanorør mellem to tynde lag polymer, med nogle af nanorørene, der stikker ud. De valgte kun de rør, der stak lige ud af polymeren, og svejste derefter nanorøret til spidsen af ​​en lille udkraget bjælke. Holdet påførte en kraft på strålen og trak stadig hårdere i nanorøret, indtil det blev revet fri af polymeren.

Forskerne fandt ud af, at den kraft, der kræves for at plukke et nanorør ud i starten, steg med nanorørets længde, men så plateau. Adfærden er et tegn på, at forbindelsen mellem nanorøret og polymeren svigter gennem en revne, der dannes og derefter spredes, sagde Ke.

Forskerne testede to former for polymer:epoxy og poly(methylmethacrylat), eller PMMA, som er det samme materiale som bruges til plexiglas. De fandt ud af, at epoxy-bornitrid nanorør-grænsefladen var stærkere end PMMA-nanorør-grænsefladen. De fandt også, at begge polymer-bornitrid-nanorørs bindingsstyrker var højere end dem, der blev rapporteret for carbonnanorør - 35 procent højere for PMMA-grænsefladen og cirka 20 procent højere for epoxy-grænsefladen.

Fordelene ved bornitrid nanorør

Bornitrid nanorør binder sandsynligvis stærkere til polymerer på grund af den måde, elektronerne er arrangeret i molekylerne, Ke forklarede. I kulstof nanorør, alle kulstofatomer har lige ladninger i deres kerne, så atomerne deler elektroner ligeligt. I bornitrid, nitrogenatomet har flere protoner end boratomet, så det sviner flere af elektronerne i bindingen. Den ulige ladningsfordeling fører til en stærkere tiltrækning mellem bornitridet og polymermolekylerne, som bekræftet af simuleringer af molekylær dynamik udført af Kes kolleger i Dr. Xianqiao Wangs gruppe ved University of Georgia.

Bornitrid nanorør har også yderligere fordele i forhold til kulstof nanorør, sagde Ke. De er mere stabile ved høje temperaturer, og de kan bedre absorbere neutronstråling, begge fordelagtige egenskaber i det ekstreme miljø i det ydre rum. Ud over, bornitrid nanorør er piezoelektriske, hvilket betyder, at de kan generere en elektrisk ladning, når de strækkes. Denne egenskab betyder, at materialet tilbyder energihøst såvel som sensing og aktivering.

Den største ulempe ved bornitrid-nanorør er omkostningerne. I øjeblikket sælges de for omkring $1, 000 pr gram, sammenlignet med $10-20 per gram for kulstof nanorør, sagde Ke. Han er optimistisk om, at prisen vil falde, selvom, bemærker, at kulstof nanorør var tilsvarende dyre, da de først blev udviklet.

"Jeg tror, ​​at bornitrid-nanorør er fremtiden for fremstilling af polymerkompositter til rumfartsindustrien, " han sagde.