Nanorurka z azotku boru

Nanorurka BN została wygięta wewnątrz transmisyjnego mikroskopu elektronowego . Jego ścianki same się zagoiły po zwolnieniu ciśnienia.

Nanorurki z azotku boru ( BNNT ) są polimorfem azotku boru . Zostały one przewidziane w 1994 r. i odkryte eksperymentalnie w 1995 r. Strukturalnie są podobne do nanorurek węglowych , które są cylindrami o średnicy poniżej mikrometra i długości mikrometra, z wyjątkiem tego, że atomy węgla są na przemian zastąpione atomami azotu i boru. Jednak właściwości nanorurek BN są bardzo różne: podczas gdy nanorurki węglowe mogą być metaliczne lub półprzewodnikowe w zależności od kierunku walcowania i promienia, nanorurka BN jest izolatorem elektrycznym z pasmem wzbronionym ~ 5,5 eV, zasadniczo niezależnym od chiralności i morfologii rury. Ponadto warstwowa struktura BN jest znacznie bardziej stabilna termicznie i chemicznie niż grafitowa struktura węglowa. BNNT mają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne w porównaniu z nanorurkami węglowymi (CNT), zapewniając bardzo szeroki zakres zastosowań komercyjnych i naukowych. Chociaż BNNT i CNT mają podobną wytrzymałość na rozciąganie, około 100 razy większą niż stal i 50 razy większą niż włókno węglowe klasy przemysłowej, BNNT mogą wytrzymać wysokie temperatury do 900 ° C. w przeciwieństwie do CNT, które zachowują stabilność do temperatury 400 °C, a także są zdolne do pochłaniania promieniowania. BNNTS są wypełnione cechami fizykochemicznymi, w tym wysoką hydrofobowością i znaczną pojemnością magazynowania wodoru, i są badane pod kątem możliwych zastosowań medycznych i biomedycznych, w tym dostarczania genów, dostarczania leków, terapii wychwytywania neutronów, a bardziej ogólnie jako biomateriały BNNT są również lepsze od CNT w sposób wiążą się z polimerami, dając początek wielu nowym zastosowaniom i materiałom kompozytowym.

Synteza i produkcja

( a ) Schemat indukcyjnego systemu plazmy termicznej RF używanego do masowej produkcji BNNT. Czysty proszek h-BN jest w sposób ciągły przekształcany w BNNT poprzez przechodzenie przez wysokotemperaturową plazmę N ₂ -H ₂ (~8000 K). (b) Obliczony rozkład temperatury wewnątrz reaktora. (c) Obliczony rozkład prędkości (po lewej) i linie prądu (po prawej).

Metrowe arkusze papieru bucky BN można wytwarzać, dodając cylindryczny bęben do powyższego reaktora.

Wszystkie dobrze znane techniki wzrostu nanorurek węglowych, takie jak wyładowanie łukowe, ablacja laserowa i chemiczne osadzanie z fazy gazowej, są wykorzystywane do masowej produkcji nanorurek BN w skali kilkudziesięciu gramów. Nanorurki BN można również wytwarzać przez mielenie kulowe amorficznego boru zmieszanego z katalizatorem (sproszkowane żelazo) w atmosferze NH _{3 .} Późniejsze wyżarzanie w ~ 1100 ° C w strumieniu azotu przekształca większość produktu w BN. Metoda wysokotemperaturowa i wysokociśnieniowa jest również odpowiednia do syntezy nanorurek BN.

Droga produkcji BNNT była istotnym problemem ze względu na niską wydajność i słabą jakość w porównaniu z CNT, co ogranicza jego praktyczne zastosowania. Jednak w ostatnich latach osiągnięto wiele wielkich sukcesów w syntezie BNNT lat, umożliwiając dostęp do tego materiału i torując drogę do rozwoju obiecujących aplikacji Ostatnio Deakin University Australia dokonał znacznego postępu dzięki „nowemu i skalowalnemu” procesowi produkcyjnemu, który umożliwi produkcję BNNT w dużych ilościach po raz pierwszy od czasu odkrycia tego materiału dwie dekady temu. Australijska spółka ASX PPK Group (ASX:PPK) podpisała w listopadzie 2018 r. umowę joint venture z Deakin w celu utworzenia BNNT Technology Limited, której celem jest produkcja nanorurek z azotku boru (BNNT) na zasadach komercyjnych. Ta współpraca jest wspierana inwestycjami rządu australijskiego w BNNT Technology Limited i może znacznie zwiększyć światową podaż BNNT, otwierając nowy wachlarz zastosowań, materiałów, kompozytów i technologii.

Od marca 2022 r. PPK podaje, że produkcja BNNT ma wzrosnąć o 150% z obecnych 4 kg tygodniowo do 10 kg tygodniowo po zainstalowaniu dwóch nowych modułów sześciopiecowych. https://www.ppkgroup.com.au/site/PDF/92f2a2a3-5f72-430e-bec6-9bb89993e4c8/ExpansionofBNNTTLsproductionfacility

Właściwości i potencjalne zastosowania

Papier bucky z nanorurek BN jest ognioodporny, jak pokazano w tym porównawczym teście płomieniowym samolotów wykonanych z papieru celulozowego, węglowego i papieru bucky z nanorurek BN.

Właściwości elektryczne i emisyjne nanorurek BN można regulować poprzez domieszkowanie atomami złota poprzez rozpylanie złota na nanorurki. Domieszkowanie atomów metali ziem rzadkich euro zamienia nanorurkę BN w materiał luminoforowy emitujący światło widzialne pod wpływem wzbudzenia elektronów. Kropki kwantowe utworzone z cząstek złota o wielkości 3 nm rozmieszczonych w poprzek nanorurek wykazują w temperaturze pokojowej właściwości tranzystorów polowych .

Podobnie jak włókna BN, nanorurki z azotku boru są obiecujące w zastosowaniach lotniczych, w których integracja boru, a zwłaszcza lekkiego izotopu boru ( ¹⁰ B) z materiałami konstrukcyjnymi poprawia zarówno ich wytrzymałość, jak i właściwości osłony przed promieniowaniem; poprawa wynika z silnej absorpcji neutronów o ¹⁰ B. Takie materiały ¹⁰ BN mają szczególną wartość teoretyczną jako kompozytowe materiały konstrukcyjne w przyszłych załogowych statkach kosmicznych międzyplanetarnych, gdzie oczekuje się, że ekranowanie absorpcji neutronów spallacyjnych promieniowania kosmicznego będzie szczególnym atutem w lekkiej konstrukcji materiały.

toksykologiczne BNNT in vivo i in vitro wykazały niską toksyczność i ogólnie zwiększoną inercję chemiczną, sprzyjającą ich biokompatybilności. Chociaż nie jest jawnie toksyczny, wydaje się, że źródłem toksyczności jest kształt i ilość obecnych BNNT/zanieczyszczeń. Zostało to potwierdzone w badaniu, które wykazało wraz ze wzrostem czystości BNNT niewielki wzrost toksyczności. Sugerowano ich zastosowanie w dziedzinie biomedycyny zarówno jako nanonośniki , jak i nanoprzetworniki. Nanorurki BN wykazały również potencjał w niektórych metodach leczenia raka.

Wysoka sztywność i doskonała stabilność chemiczna sprawiają, że BNNT są idealnym materiałem do wzmacniania polimerów, ceramiki i metali. Na przykład z powodzeniem opracowano kompozyty BNNT/epoksyd na bazie papieru bucky oraz kompozyty buckypaper modyfikowane poliuretanem. ^1,16 Te materiały kompozytowe wykazują moduły Younga ponad dwukrotnie większe niż czysta żywica epoksydowa i 20 razy więcej niż nieimpregnowany papier bucky. BNNT są również jedną z najbardziej obiecujących klas materiałów do wzmacniania konstrukcji aluminiowych. ¹⁷ Niska reaktywność BNNT ułatwia integrację tego materiału z matrycą aluminiową, w której CNT zawodzą z powodu reakcji między węglem a aluminium, która tworzy niepożądaną fazę Al 4 C 3 _na granicy _faz . BNNT wykazują również znacznie wyższą temperaturę utleniania (~950°C) niż temperatura topnienia aluminium (660°C), co umożliwia jednorodną dyspersję BNNT bezpośrednio w stopionym aluminium. Ponieważ BNNT zachowują swoje właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach przy bardzo niskiej gęstości, możliwe jest opracowanie nowego, odpornego na temperaturę, lekkiego MMC. BNNT wykazują również dobrą przewodność cieplną. To czyni je przydatnymi do zastosowań w nanoelektronice, gdzie rozpraszanie ciepła ma kluczowe znaczenie. To również sprawia, że ​​BNNT są wielofunkcyjne, ponieważ nie tylko poprawiają sztywność kompozytów, ale także zapewniają wysoką przewodność cieplną wraz z wysoką przezroczystością. Połączenie wysokiej sztywności i wysokiej przezroczystości jest już wykorzystywane przy opracowywaniu kompozytów szklanych wzmocnionych BNNT. ¹⁸ Inne nieodłączne właściwości BNNT, takie jak dobra zdolność ekranowania promieniowania, ¹⁹ wysoka oporność elektryczna i doskonałe właściwości piezoelektryczne, prawdopodobnie zwiększą zainteresowanie integracją ich w nowych zastosowaniach.