Boornitride-nanobuisjes zijn klaar om effectieve bouwstenen te worden voor composiet- en polymeermaterialen van de volgende generatie op basis van een nieuwe ontdekking aan de Rice University - en een eerdere.

Wetenschappers van bekend om nano-rijst hebben een manier gevonden om een ​​unieke klasse nanobuisjes te verbeteren met behulp van een chemisch proces dat aan de universiteit is gepionierd. Het Rice-lab van scheikundige Angel Martí maakte gebruik van het Billups-Birch-reactieproces om boornitride-nanobuisjes te verbeteren.

Het werk wordt beschreven in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste nanomaterialen .

boornitride nanobuisjes, zoals hun koolstof neven, zijn opgerolde vellen van zeshoekige arrays. In tegenstelling tot koolstofnanobuisjes, het zijn elektrisch isolerende hybriden gemaakt van afwisselende boor- en stikstofatomen.

Isolerende nanobuisjes die kunnen worden gefunctionaliseerd, zullen een waardevolle bouwsteen zijn voor nano-engineeringprojecten, zei Mart. "Koolstofnanobuisjes hebben uitstekende eigenschappen, maar je kunt ze alleen krijgen in halfgeleidende of metallische geleidende typen, " zei hij. "Boronnitride-nanobuisjes zijn complementaire materialen die die leemte kunnen opvullen."

Tot nu, deze nanobuisjes hebben standvastig weerstand geboden aan functionalisering, het "decoreren" van structuren met chemische toevoegingen waardoor ze kunnen worden aangepast voor toepassingen. De eigenschappen die boornitride nanobuisjes sterkte en stabiliteit geven, vooral bij hoge temperaturen, maken ze ook moeilijk aan te passen voor gebruik bij de productie van geavanceerde materialen.

Maar de Billups-Birch-reactie ontwikkeld door Rice Professor Emeritus of Chemistry Edward Billups, die elektronen vrijmaakt om te binden met andere atomen, stonden Martí en hoofdauteur Carlos de los Reyes toe om de elektrisch inerte boornitride-nanobuisjes een negatieve lading te geven.

Dat, beurtelings, opende ze voor functionalisering met andere kleine moleculen, inclusief alifatische koolstofketens.

"Het functionaliseren van de nanobuisjes wijzigt of stemt hun eigenschappen af, " zei Martí. "Als ze ongerept zijn, zijn ze dispergeerbaar in water, maar als we deze alkylketens eenmaal vastmaken, ze zijn extreem hydrofoob (watermijdend). Vervolgens, als je ze in zeer hydrofobe oplosmiddelen stopt, zoals die met koolwaterstoffen met lange ketens, ze zijn meer verspreid dan hun oorspronkelijke vorm.

"Hierdoor kunnen we de eigenschappen van de nanobuisjes afstemmen en wordt het gemakkelijker om de volgende stap naar composieten te zetten, "zei hij. "Daarvoor, de materialen moeten compatibel zijn."

Nadat hij het fenomeen ontdekte, de los Reyes heeft maandenlang geprobeerd om het betrouwbaar te reproduceren. "Er was een periode waarin ik elke dag een reactie moest doen om reproduceerbaarheid te bereiken, zei hij. Maar dat bleek een voordeel, omdat het proces van begin tot eind slechts ongeveer een dag duurde. "Dat is het voordeel ten opzichte van andere processen om koolstofnanobuisjes te functionaliseren. Er zijn er enkele die zeer effectief zijn, maar het kan een paar dagen duren."

Het proces begint met het toevoegen van zuiver ammoniakgas aan de nanobuisjes en het afkoelen tot -70 graden Celsius (-94 graden Fahrenheit). "Als het combineert met natrium, lithium of kalium - we gebruiken lithium - het creëert een zee van elektronen, ' zei Martí. 'Als het lithium oplost in de ammoniak, het verdrijft de elektronen."

De vrijgekomen elektronen binden zich snel met de nanobuisjes en zorgen voor haken voor andere moleculen. De los Reyes verbeterde Billups-Birch toen hij ontdekte dat het langzaam toevoegen van de alkylketens, in plaats van alles tegelijk, verbeterden hun vermogen om te binden.

De onderzoekers ontdekten ook dat het proces omkeerbaar is. In tegenstelling tot koolstofnanobuisjes die wegbranden, boornitride nanobuisjes kunnen tegen de hitte. Gefunctionaliseerde boornitridebuizen in een oven van 600 graden Celsius plaatsen (1, 112 graden Fahrenheit) ontdaan ze van de toegevoegde moleculen en bracht ze terug naar hun bijna ongerepte staat.

"We noemen het defunctionalisatie, "Zei Martí. "Je kunt ze functionaliseren voor een toepassing en vervolgens de chemische groepen verwijderen om het oorspronkelijke materiaal terug te krijgen. Dat is iets anders dat het materiaal met zich meebrengt dat een beetje anders is."