Una nanostruttura porosa tridimensionale avrebbe un equilibrio di forza, tenacità e capacità di trasferire calore che potrebbero avvantaggiare la nanoelettronica, stoccaggio del gas e materiali compositi che svolgono molteplici funzioni, secondo gli ingegneri della Rice University.

I ricercatori hanno fatto questa previsione utilizzando simulazioni al computer per creare una serie di prototipi 3D con nitruro di boro, un composto chimico formato da atomi di boro e azoto. I loro risultati sono stati pubblicati online il 14 luglio nel Journal of Physical Chemistry C .

I prototipi 3D fondono nanotubi di nitruro di boro unidimensionali e fogli bidimensionali di nitruro di boro.

"Abbiamo unito i tubi e le lamiere per renderli tridimensionali, offrendo così più funzionalità, " disse Rouzbeh Shahsavari, assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria, che è stato coautore del documento con lo studente laureato Navid Sakhavand. Nella nanostruttura 3-D, i fogli estremamente sottili di nitruro di boro sono impilati in strati paralleli, con pilastri a forma di tubo di nitruro di boro tra ogni strato per mantenere i fogli separati.

Shahsavari ha notato che nelle versioni unidimensionali e bidimensionali del nitruro di boro, c'è sempre una distorsione nelle proprietà direzionali, o verso l'asse del tubo o verso le direzioni nel piano, che non è adatto per un uso 3D diffuso nella tecnologia e nelle applicazioni industriali.

Per esempio, un nanotubo di nitruro di boro unidimensionale può essere allungato di circa il 20 percento della sua lunghezza prima di rompersi, ma il prototipo 3-D di nitruro di boro può essere allungato di circa il 45 percento della sua lunghezza senza rompersi.

Quando i tipici materiali in nitruro di boro mono o bidimensionali vengono stirati in una direzione, tendono a ridursi nelle altre direzioni perpendicolari. Nel prototipo 3D, però, quando il materiale si allunga nella direzione nel piano, si estende anche in direzioni perpendicolari. "Qui, la giunzione tra i tubi e le lamiere ha una struttura unica a forma di curva che contribuisce a questo interessante fenomeno, noto come effetto auxetico, "Ha detto Shahsavari.

Anche le proprietà di trasporto termico del prototipo 3D sono vantaggiose, Egli ha detto. I tubi unidimensionali in nitruro di boro e i fogli bidimensionali possono trasportare il calore molto velocemente, ma solo in una o due direzioni. Il prototipo 3-D trasporta il calore in modo relativamente veloce in tutte le direzioni 3-D. "Questa caratteristica è ideale per le applicazioni che richiedono materiali o rivestimenti con la capacità di una diffusione termica estremamente rapida negli ambienti. Gli esempi includono motori di automobili o CPU di computer in cui un rapido trasferimento di calore agli ambienti è fondamentale per il corretto funzionamento, "Ha detto Shahsavari.

Il prototipo 3-D in nitruro di boro ha una struttura molto porosa e leggera. Ogni grammo di questa struttura simile al formaggio svizzero ha una superficie equivalente a tre campi da tennis. Una superficie così elevata si presta ad applicazioni personalizzate. Shahsavari e Sakhavand hanno predetto che il prototipo 3-D del nitruro di boro avrebbe consentito un efficiente stoccaggio e separazione del gas, Per esempio, nei veicoli che funzionano con celle a idrogeno.

A differenza delle nanostrutture a base di grafene, il nitruro di boro è un materiale elettricamente isolante. Così, il prototipo 3-D di nitruro di boro ha il potenziale per completare la nanoelettronica basata sul grafene, compreso il potenziale per la prossima generazione di semiconduttori 3-D e dispositivi di trasporto termico 3-D che potrebbero essere utilizzati in calorimetri su nanoscala, processi microelettronici e frigoriferi macroscopici.

Il vero prototipo 3-D di nitruro di boro deve ancora essere creato in laboratorio, e numerosi sforzi sono già in corso. "Le nostre simulazioni al computer mostrano quali proprietà ci si può aspettare da queste strutture e quali sono i fattori chiave che ne controllano la funzionalità, "Ha detto Shahsavari.