Koolstofnanobuisjes zijn legendarisch in hun kracht - volgens sommige schattingen minstens 30 keer sterker dan kogelwerende Kevlar. Wanneer gemengd met lichtgewicht polymeren zoals kunststoffen en epoxyharsen, de minuscule buisjes versterken het materiaal, als de wapening in een blok beton, veelbelovende lichtgewicht en sterke materialen voor vliegtuigen, ruimteschepen, auto's en zelfs sportuitrusting.

Hoewel dergelijke koolstofnanobuisjes-polymeer nanocomposieten enorme belangstelling hebben gewekt van de materiaalonderzoeksgemeenschap, een groep wetenschappers heeft nu bewijs dat een ander nanobuisje - gemaakt van boornitride - nog meer sterkte per gewichtseenheid zou kunnen bieden. Ze publiceren hun resultaten in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

boornitride, zoals koolstof, kan platen van één atoom dik vormen die in cilinders worden gerold om nanobuisjes te maken. Op zichzelf zijn boornitride-nanobuizen bijna net zo sterk als koolstofnanobuizen, maar hun echte voordeel in een composietmateriaal komt van de manier waarop ze sterk aan het polymeer hechten.

"De zwakste schakel in deze nanocomposieten is de interface tussen het polymeer en de nanobuisjes, " zei Changhong Ke, een universitair hoofddocent aan de afdeling werktuigbouwkunde van de State University van New York in Binghamton. Als je een composiet breekt, de nanobuisjes die nog uitsteken hebben schone oppervlakken, in tegenstelling tot het feit dat er nog steeds stukjes polymeer aan vastzitten. De schone breuk geeft aan dat de verbinding tussen de buizen en het polymeer faalt, merkte Ke op.

Nanobuisjes plukken

Ke en zijn collega's bedachten een nieuwe manier om de sterkte van de nanobuis-polymeerverbinding te testen. Ze plaatsten boornitride-nanobuisjes tussen twee dunne lagen polymeer, met enkele van de nanobuisjes die nog uitsteken. Ze selecteerden alleen de buizen die recht uit het polymeer staken, en vervolgens de nanobuis aan het uiteinde van een kleine vrijdragende balk gelast. Het team oefende een kracht uit op de straal en trok steeds harder aan de nanobuis totdat deze van het polymeer was gescheurd.

De onderzoekers ontdekten dat de kracht die nodig is om een ​​nanobuisje uit te trekken aanvankelijk toenam met de lengte van de nanobuisjes, maar toen plat. Het gedrag is een teken dat de verbinding tussen de nanobuis en het polymeer faalt door een scheur die zich vormt en zich vervolgens verspreidt, zei Ke.

De onderzoekers testten twee vormen van polymeer:​​epoxy en poly(methylmethacrylaat), of PMMA, dat is hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt voor plexiglas. Ze ontdekten dat de epoxy-boornitride nanobuis-interface sterker was dan de PMMA-nanobuis-interface. Ze ontdekten ook dat de bindingssterkten van beide polymeer-boornitride nanobuisjes hoger waren dan die gerapporteerd voor koolstofnanobuisjes - 35 procent hoger voor de PMMA-interface en ongeveer 20 procent hoger voor de epoxy-interface.

De voordelen van boornitride-nanobuisjes

Boornitride-nanobuisjes binden zich waarschijnlijk sterker aan polymeren vanwege de manier waarop de elektronen in de moleculen zijn gerangschikt, Ke uitgelegd. In koolstofnanobuisjes, alle koolstofatomen hebben gelijke ladingen in hun kern, dus de atomen delen elektronen gelijk. In boornitride, het stikstofatoom heeft meer protonen dan het booratoom, dus het neemt meer van de elektronen in de binding op. De ongelijke ladingsverdeling leidt tot een sterkere aantrekkingskracht tussen het boornitride en de polymeermoleculen, zoals geverifieerd door moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd door Ke's collega's in de groep van Dr. Xianqiao Wang aan de Universiteit van Georgia.

Boornitride-nanobuizen hebben ook extra voordelen ten opzichte van koolstofnanobuizen, zei Ke. Ze zijn stabieler bij hoge temperaturen en kunnen neutronenstraling beter absorberen, beide voordelige eigenschappen in de extreme omgeving van de ruimte. In aanvulling, boornitride nanobuisjes zijn piëzo-elektrisch, wat betekent dat ze een elektrische lading kunnen genereren wanneer ze worden uitgerekt. Deze eigenschap betekent dat het materiaal zowel energiewinning als detectie- en activeringsmogelijkheden biedt.

Het belangrijkste nadeel van boornitride-nanobuisjes zijn de kosten. Momenteel verkopen ze voor ongeveer $ 1, 000 per gram, vergeleken met de $ 10-20 per gram voor koolstofnanobuisjes, zei Ke. Hij is optimistisch dat de prijs zal dalen, Hoewel, opmerkend dat koolstofnanobuisjes even duur waren toen ze voor het eerst werden ontwikkeld.

"Ik denk dat boornitride-nanobuizen de toekomst zijn voor het maken van polymeercomposieten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie, " hij zei.