Vejen til forløberen for robuste nanorør, der kan føre til udbredt industriel fremstilling

Forskere har identificeret en kemisk vej til et innovativt isolerende nanomateriale, der kan føre til storstilet industriel produktion til en række forskellige anvendelser - herunder i rumdragter og militærkøretøjer. Nanomaterialet - tusindvis af gange tyndere end et menneskehår, stærkere end stål og ikke-brændbart - kunne blokere for stråling til astronauter og hjælpe med at opbygge rustning af militærkøretøjer, for eksempel.

Samarbejdsforskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har foreslået en trin-for-trin kemisk vej til forstadierne til dette nanomateriale, kendt som bornitrid nanorør (BNNT), hvilket kunne føre til deres produktion i stor skala.

"Pionerarbejde"

Gennembruddet samler plasmafysik og kvantekemi og er en del af udvidelsen af ​​forskningen på PPPL. "Dette er banebrydende arbejde, der tager laboratoriet i nye retninger, " sagde PPPL fysiker Igor Kaganovich, hovedefterforsker af BNNT-projektet og medforfatter til papiret, der beskriver resultaterne i journalen Nanoteknologi .

Samarbejdspartnere identificerede de vigtigste kemiske vejtrin som dannelsen af ​​molekylært nitrogen og små klynger af bor, som kan reagere kemisk sammen, når temperaturen skabt af en plasmastråle afkøles, sagde hovedforfatter Yuri Barsukov fra Peter den Store St. Petersborg Polytekniske Universitet. Han udviklede de kemiske reaktionsveje ved at udføre kvantekemi-simuleringer med hjælp fra Omesh Dwivedi, en PPPL-praktikant fra Drexel University, og Sierra Jubin, en kandidatstuderende i Princeton-programmet i Plasmafysik.

Det tværfaglige team omfattede Alexander Khrabry, en tidligere PPPL-forsker nu ved Lawrence Livermore National Laboratory, som udviklede en termodynamisk kode brugt i denne forskning, og PPPL-fysiker Stephane Ethier, som hjalp eleverne med at kompilere softwaren og opsætte simuleringerne.

Resultaterne løste mysteriet om, hvordan molekylært nitrogen, som har den næststærkeste kemiske binding blandt diatomiske, eller dobbelt-atom molekyler, kan ikke desto mindre bryde fra hinanden gennem reaktioner med bor for at danne forskellige bornitrid-molekyler, sagde Kaganovich. "Vi brugte en del tid på at tænke på, hvordan man får bor-nitridforbindelser fra en blanding af bor og nitrogen, " sagde han. "Det, vi fandt, var de små klynger af bor, i modsætning til meget større bor dråber, interagerer let med nitrogenmolekyler. Det er derfor, vi havde brug for en kvantekemiker til at gennemgå de detaljerede kvantekemiberegninger med os."

BNNT'er har egenskaber, der ligner kulstof nanorør, som er produceret i ton og findes i alt fra sportsartikler og sportstøj til tandimplantater og elektroder. Men den større vanskelighed ved at producere BNNT'er har begrænset deres applikationer og tilgængelighed.

Kemisk vej

Demonstration af en kemisk vej til dannelsen af ​​BNNT-precursorer kunne lette BNNT-produktionen. Processen med BNNT-syntese begynder, når videnskabsmænd bruger en 10, 000-graders plasmastråle til at omdanne bor og nitrogengas til plasma bestående af frie elektroner og atomkerner, eller ioner, indlejret i en baggrundsgas. Dette viser, hvordan processen forløber:

• Strålen fordamper bor, mens det molekylære nitrogen stort set forbliver intakt;
• Boret kondenserer til dråber, når plasmaet afkøles;
• Dråberne danner små klynger, når temperaturen falder til et par tusinde grader;
• Det kritiske næste trin er reaktionen af ​​nitrogen med små klynger af bor-molekyler for at danne bor-nitrogen-kæder;
• Kæderne bliver længere ved at kollidere med hinanden og foldes til forstadier til bornitrid-nanorør.

"Under højtemperatursyntesen er tætheden af ​​små borklynger lav, " sagde Barsukov. "Dette er den største hindring for produktion i stor skala."

Resultaterne har åbnet et nyt kapitel i BNNT nanomateriale syntese. "Efter to års arbejde har vi fundet vejen, " sagde Kaganovich. "Når bor kondenserer, danner det store klynger, som nitrogen ikke reagerer med. Men processen starter med små klynger, som nitrogen reagerer med, og der er stadig en procentdel af små klynger, efterhånden som dråberne vokser sig større, " han sagde.

"Det skønne ved dette arbejde, " han tilføjede, "er, at da vi havde eksperter i plasma- og væskemekanik og kvantekemi, kunne vi gennemgå alle disse processer sammen i en tværfaglig gruppe. Nu skal vi sammenligne mulige BNNT-output fra vores model med eksperimenter. Det vil være næste fase af modellering ."