Een driedimensionale poreuze nanostructuur zou een evenwicht van sterkte hebben, taaiheid en het vermogen om warmte over te dragen die nano-elektronica ten goede zou kunnen komen, gasopslag en composietmaterialen die meerdere functies vervullen, volgens ingenieurs van Rice University.

De onderzoekers deden deze voorspelling door computersimulaties te gebruiken om een ​​reeks 3D-prototypes te maken met boornitride, een chemische verbinding gemaakt van boor- en stikstofatomen. Hun bevindingen werden op 14 juli online gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C .

De 3D-prototypes smelten eendimensionale boornitride-nanobuisjes en tweedimensionale platen boornitride samen.

"We hebben de buizen en platen samengevoegd om ze driedimensionaal te maken, waardoor meer functionaliteit wordt geboden, " zei Rouzbeh Shahsavari, universitair docent civiele en milieutechniek en materiaalkunde en nano-engineering, die samen met afgestudeerde student Navid Sakhavand de paper schreef. In de 3D-nanostructuur, de extreem dunne platen boornitride zijn in parallelle lagen gestapeld, met buisvormige pilaren van boornitride tussen elke laag om de platen gescheiden te houden.

Shahsavari merkte op dat in de eendimensionale en tweedimensionale versies van boornitride, er is altijd een vooroordeel in richtingseigenschappen, ofwel in de richting van de buisas of richtingen in het vlak, die niet geschikt is voor wijdverbreid 3D-gebruik in technologie en industriële toepassingen.

Bijvoorbeeld, een eendimensionale boornitride-nanobuis kan ongeveer 20 procent van zijn lengte worden uitgerekt voordat hij breekt, maar het 3D-prototype van boornitride kan ongeveer 45 procent van zijn lengte worden uitgerekt zonder te breken.

Wanneer de typische een- of tweedimensionale boornitridematerialen in één richting worden uitgerekt, ze hebben de neiging om te krimpen in de andere loodrechte richtingen. In het 3D-prototype echter, wanneer het materiaal zich in de richting van het vlak uitstrekt, het strekt zich ook uit in loodrechte richtingen. "Hier, de verbinding tussen de buizen en de platen heeft een unieke curve-achtige structuur die bijdraagt ​​aan dit interessante fenomeen, bekend als het auxetische effect, ' zei Shahsavari.

De thermische transporteigenschappen van het 3D-prototype zijn ook voordelig, hij zei. De eendimensionale boornitridebuizen en tweedimensionale platen kunnen zeer snel warmte transporteren, maar slechts in één of twee richtingen. Het 3D-prototype transporteert de warmte relatief snel in alle 3D-richtingen. "Deze functie is ideaal voor toepassingen die materialen of coatings nodig hebben met de mogelijkheid van extreem snelle thermische diffusie naar de omgevingen. Voorbeelden zijn automotoren of computer-CPU's waar een snelle warmteoverdracht naar de omgeving van cruciaal belang is voor een goede werking, ' zei Shahsavari.

Het 3D-boornitride-prototype heeft een zeer poreuze en lichtgewicht structuur. Elke gram van deze Zwitserse kaasachtige structuur heeft een oppervlakte gelijk aan drie tennisbanen. Een dergelijk groot oppervlak leent zich voor maatwerk. Shahsavari en Sakhavand voorspelden dat het 3D-prototype van boornitride een efficiënte gasopslag en -scheiding mogelijk zou maken, bijvoorbeeld, in voertuigen die op waterstofcellen rijden.

In tegenstelling tot op grafeen gebaseerde nanostructuren, boornitride is een elektrisch isolerend materiaal. Dus, het 3D-boornitride-prototype heeft de potentie om op grafeen gebaseerde nano-elektronica aan te vullen, inclusief potentieel voor de volgende generatie 3D-halfgeleiders en 3D thermische transportapparaten die kunnen worden gebruikt in calorimeters op nanoschaal, micro-elektronische processen en macroscopische koelkasten.

Het eigenlijke 3D-prototype van boornitride moet nog in het laboratorium worden gemaakt, en er zijn al tal van inspanningen aan de gang. "Onze computersimulaties laten zien welke eigenschappen van deze structuren kunnen worden verwacht en wat de belangrijkste factoren zijn die hun functionaliteit bepalen, ' zei Shahsavari.