I ricercatori della Rice University hanno scoperto un modo per "decorare" nanotubi di nitruro di boro elettricamente isolanti con gruppi funzionali, rendendoli più adatti all'uso con polimeri e materiali compositi. Credito:Martí Research Group/Rice University
I nanotubi di nitruro di boro sono pronti per diventare elementi costitutivi efficaci per i materiali compositi e polimerici di nuova generazione basati su una nuova scoperta alla Rice University e una precedente.
Gli scienziati della nota per il nano Rice hanno trovato un modo per migliorare una classe unica di nanotubi utilizzando un processo chimico sperimentato all'università. Il laboratorio Rice del chimico Angel Martí ha sfruttato il processo di reazione Billups-Birch per migliorare i nanotubi di nitruro di boro.
Il lavoro è descritto nella rivista American Chemical Society Nanomateriali applicati ACS .
nanotubi di nitruro di boro, come i loro cugini di carbonio, sono fogli arrotolati di matrici esagonali. A differenza dei nanotubi di carbonio, sono ibridi elettricamente isolanti fatti di atomi di boro e azoto alternati.
I nanotubi isolanti che possono essere funzionalizzati saranno un prezioso elemento costitutivo per i progetti di nanoingegneria, disse Martì. "I nanotubi di carbonio hanno proprietà eccezionali, ma puoi ottenerli solo nei tipi semiconduttori o conduttori metallici, " ha detto. "I nanotubi di nitruro di boro sono materiali complementari che possono colmare questa lacuna".
Fino ad ora, questi nanotubi hanno resistito fermamente alla funzionalizzazione, la "decorazione" di strutture con additivi chimici che ne consente la personalizzazione per applicazioni. Le stesse proprietà che conferiscono forza e stabilità ai nanotubi di nitruro di boro, soprattutto alle alte temperature, inoltre li rendono difficili da modificare per il loro utilizzo nella produzione di materiali avanzati.
Le immagini al microscopio elettronico a trasmissione mostrano un nanotubo di nitruro di boro incontaminato a sinistra e un nanotubo funzionalizzato a destra. Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato un metodo per rendere i nanotubi isolanti di nitruro di boro meglio utilizzabili nei materiali compositi. Credito:Martí Research Group/Rice University
Ma la reazione Billups-Birch sviluppata dal professore emerito di chimica Rice Edward Billups, che libera gli elettroni per legarsi ad altri atomi, ha permesso a Martí e all'autore principale Carlos de los Reyes di dare ai nanotubi di nitruro di boro elettricamente inerti una carica negativa.
Quella, a sua volta, li ha aperti alla funzionalizzazione con altre piccole molecole, comprese le catene di carbonio alifatiche.
"Funzionalizzare i nanotubi modifica o sintonizza le loro proprietà, " Martí ha detto. "Quando sono incontaminati sono disperdibili in acqua, ma una volta che colleghiamo queste catene alchiliche, sono estremamente idrofobi (evitano l'acqua). Quindi, se li metti in solventi molto idrofobi come quelli con idrocarburi a catena lunga, sono più dispersibili rispetto alla loro forma originaria.
"Questo ci permette di mettere a punto le proprietà dei nanotubi e renderà più facile fare il passo successivo verso i compositi, " ha detto. "Per questo, i materiali devono essere compatibili."
Dopo aver scoperto il fenomeno, de los Reyes ha trascorso mesi cercando di riprodurlo in modo affidabile. "C'è stato un periodo in cui dovevo reagire ogni giorno per raggiungere la riproducibilità, " ha detto. Ma questo si è rivelato un vantaggio, poiché il processo richiedeva solo circa un giorno dall'inizio alla fine. "Questo è il vantaggio rispetto ad altri processi per funzionalizzare i nanotubi di carbonio. Ce ne sono alcuni che sono molto efficaci, ma potrebbero volerci alcuni giorni."
L'assistente di ricerca della Rice University Kendahl Walz Mitra e lo studente laureato Carlos de los Reyes lavorano con un campione di nanotubi di nitruro di boro. Sono autori di un nuovo documento che mostra come funzionalizzare i nanotubi intrinsecamente isolanti per l'uso nei compositi. Credito:Martí Research Group/Rice University
Il processo inizia con l'aggiunta di gas di ammoniaca pura ai nanotubi e il raffreddamento a -70 gradi Celsius (-94 gradi Fahrenheit). "Quando si combina con il sodio, litio o potassio, usiamo il litio, crea un mare di elettroni, " disse Martí. "Quando il litio si dissolve nell'ammoniaca, espelle gli elettroni."
Gli elettroni liberati si legano rapidamente ai nanotubi e forniscono ganci per altre molecole. De los Reyes ha migliorato Billups-Birch quando ha scoperto che aggiungendo lentamente le catene alchiliche, piuttosto che tutto in una volta, migliorato la loro capacità di legare.
I ricercatori hanno anche scoperto che il processo è reversibile. A differenza dei nanotubi di carbonio che bruciano, I nanotubi di nitruro di boro possono sopportare il calore. Posizionamento di tubi di nitruro di boro funzionalizzati in un forno a 600 gradi Celsius (1, 112 gradi Fahrenheit) li ha spogliati delle molecole aggiunte e li ha riportati al loro stato quasi originario.
"La chiamiamo defunzionalizzazione, " Martí ha detto. "Puoi funzionalizzarli per un'applicazione e quindi rimuovere i gruppi chimici per recuperare il materiale incontaminato. Questo è qualcos'altro che il materiale porta che è un po' diverso".
