I nanotubi di carbonio sono leggendari nella loro forza, almeno 30 volte più forte del Kevlar antiproiettile secondo alcune stime. Se miscelato con polimeri leggeri come plastica e resine epossidiche, i tubicini rinforzano il materiale, come l'armatura in un blocco di cemento, promettendo materiali leggeri e resistenti per gli aeroplani, astronavi, automobili e persino attrezzature sportive.

Mentre tali nanocompositi nanotubi di carbonio-polimero hanno suscitato un enorme interesse da parte della comunità di ricerca sui materiali, un gruppo di scienziati ha ora le prove che un diverso nanotubo, fatto di nitruro di boro, potrebbe offrire ancora più forza per unità di peso. Pubblicano i loro risultati sulla rivista Lettere di fisica applicata .

nitruro di boro, come il carbonio, possono formare fogli dello spessore di un singolo atomo che vengono arrotolati in cilindri per creare nanotubi. Di per sé i nanotubi di nitruro di boro sono resistenti quasi quanto i nanotubi di carbonio, ma il loro vero vantaggio in un materiale composito deriva dal modo in cui aderiscono fortemente al polimero.

"L'anello più debole in questi nanocompositi è l'interfaccia tra il polimero e i nanotubi, " ha detto Changhong Ke, professore associato nel dipartimento di ingegneria meccanica della State University di New York a Binghamton. Se rompi un composito, i nanotubi rimasti fuori hanno superfici pulite, invece di avere pezzi di polimero ancora attaccati a loro. La rottura netta indica che il collegamento tra i tubi e il polimero fallisce, Ke ha notato.

Spiumatura di nanotubi

Ke ei suoi colleghi hanno ideato un nuovo modo per testare la forza del legame nanotubo-polimero. Hanno inserito nanotubi di nitruro di boro tra due sottili strati di polimero, con alcuni dei nanotubi rimasti fuori. Hanno selezionato solo i tubi che sporgevano direttamente dal polimero, e poi ha saldato il nanotubo alla punta di una minuscola trave a sbalzo. Il team ha applicato una forza sul raggio e ha tirato sempre più forte il nanotubo finché non è stato strappato dal polimero.

I ricercatori hanno scoperto che la forza necessaria per estrarre un nanotubo inizialmente aumentava con la lunghezza del nanotubo, ma poi si è stabilizzato. Il comportamento è un segno che la connessione tra il nanotubo e il polimero viene a mancare attraverso una fessura che si forma e poi si diffonde, Ke ha detto.

I ricercatori hanno testato due forme di polimero:resina epossidica e poli(metilmetacrilato), o PMMA, che è lo stesso materiale utilizzato per il plexiglas. Hanno scoperto che l'interfaccia del nanotubo di nitruro di boro epossidico era più forte dell'interfaccia del nanotubo di PMMA. Hanno anche scoperto che entrambi i punti di forza di legame dei nanotubi di nitruro di boro polimero erano superiori a quelli riportati per i nanotubi di carbonio:il 35 percento in più per l'interfaccia PMMA e circa il 20 percento in più per l'interfaccia epossidica.

I vantaggi dei nanotubi di nitruro di boro

I nanotubi di nitruro di boro probabilmente si legano più fortemente ai polimeri a causa del modo in cui gli elettroni sono disposti nelle molecole, Ke ha spiegato. Nei nanotubi di carbonio, tutti gli atomi di carbonio hanno cariche uguali nel loro nucleo, quindi gli atomi condividono equamente gli elettroni. Nel nitruro di boro, l'atomo di azoto ha più protoni dell'atomo di boro, quindi assorbe più elettroni nel legame. La distribuzione ineguale della carica porta ad una maggiore attrazione tra il nitruro di boro e le molecole polimeriche, come verificato dalle simulazioni di dinamica molecolare eseguite dai colleghi di Ke nel gruppo del Dr. Xianqiao Wang presso l'Università della Georgia.

I nanotubi di nitruro di boro hanno anche ulteriori vantaggi rispetto ai nanotubi di carbonio, Ke ha detto. Sono più stabili alle alte temperature e possono assorbire meglio la radiazione di neutroni, entrambe proprietà vantaggiose nell'ambiente estremo dello spazio esterno. Inoltre, i nanotubi di nitruro di boro sono piezoelettrici, il che significa che possono generare una carica elettrica quando vengono allungati. Questa proprietà significa che il materiale offre capacità di raccolta di energia, nonché capacità di rilevamento e attuazione.

Il principale svantaggio dei nanotubi di nitruro di boro è il costo. Attualmente vendono per circa $ 1, 000 per grammo, rispetto ai 10-20 dollari al grammo per i nanotubi di carbonio, Ke ha detto. È ottimista sul fatto che il prezzo scenderà, anche se, notando che i nanotubi di carbonio erano altrettanto costosi quando furono sviluppati per la prima volta.

"Penso che i nanotubi di nitruro di boro siano il futuro per la produzione di compositi polimerici per l'industria aerospaziale, " Egli ha detto.