Gli scienziati hanno identificato un percorso chimico verso un nanomateriale isolante innovativo che potrebbe portare a una produzione industriale su larga scala per una varietà di usi, tra cui tute spaziali e veicoli militari. Il nanomateriale, migliaia di volte più sottile di un capello umano, più forte dell'acciaio e non combustibile, potrebbe bloccare le radiazioni agli astronauti e aiutare a puntellare l'armatura dei veicoli militari, Per esempio.

Ricercatori collaborativi presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno proposto un percorso chimico passo passo ai precursori di questo nanomateriale, noti come nanotubi di nitruro di boro (BNNT), che potrebbe portare alla loro produzione su larga scala.

"Lavoro pionieristico"

La svolta riunisce la fisica del plasma e la chimica quantistica e fa parte dell'espansione della ricerca presso PPPL. "Questo è un lavoro pionieristico che porta il Laboratorio in nuove direzioni, " ha detto il fisico PPPL Igor Kaganovich, ricercatore principale del progetto BNNT e coautore del documento che dettaglia i risultati nella rivista Nanotecnologia .

I collaboratori hanno identificato i passaggi chiave del percorso chimico come la formazione di azoto molecolare e piccoli ammassi di boro, che possono reagire chimicamente insieme quando la temperatura creata da un getto di plasma si raffredda, ha affermato l'autore principale Yuri Barsukov della Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. Ha sviluppato i percorsi di reazione chimica eseguendo simulazioni di chimica quantistica con l'assistenza di Omesh Dwivedi, uno stagista PPPL della Drexel University, e Sierra Jubin, uno studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics.

Il team interdisciplinare comprendeva Alexander Khrabry, un ex ricercatore PPPL ora al Lawrence Livermore National Laboratory che ha sviluppato un codice termodinamico utilizzato in questa ricerca, e il fisico PPPL Stephane Ethier che ha aiutato gli studenti a compilare il software e impostare le simulazioni.

I risultati hanno risolto il mistero di come l'azoto molecolare, che ha il secondo legame chimico più forte tra biatomico, o molecole a doppio atomo, può tuttavia rompersi attraverso reazioni con il boro per formare varie molecole di nitruro di boro, ha detto Kaganovic. "Abbiamo passato molto tempo a pensare a come ottenere boro - composti di nitruro da una miscela di boro e azoto, " ha detto. "Quello che abbiamo trovato è che piccoli grappoli di boro, al contrario di goccioline di boro molto più grandi, interagiscono facilmente con le molecole di azoto. Ecco perché avevamo bisogno di un chimico quantistico che svolgesse con noi i calcoli dettagliati della chimica quantistica".

I BNNT hanno proprietà simili ai nanotubi di carbonio, che sono prodotti a tonnellate e si trovano in tutto, da articoli sportivi e abbigliamento sportivo a impianti dentali ed elettrodi. Ma la maggiore difficoltà di produrre BNNT ne ha limitato le applicazioni e la disponibilità.

Via chimica

La dimostrazione di una via chimica per la formazione dei precursori BNNT potrebbe facilitare la produzione di BNNT. Il processo di sintesi di BNNT inizia quando gli scienziati usano un 10, Getto di plasma a 000 gradi per trasformare il gas di boro e azoto in plasma costituito da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, incorporato in un gas di fondo. Questo mostra come si svolge il processo:

• Il getto fa evaporare il boro mentre l'azoto molecolare rimane in gran parte intatto;
• Il boro si condensa in goccioline mentre il plasma si raffredda;
• Le goccioline formano piccoli ammassi man mano che la temperatura scende a qualche migliaio di gradi;
• Il passaggio successivo critico è la reazione dell'azoto con piccoli gruppi di molecole di boro per formare catene boro-azoto;
• Le catene si allungano scontrandosi l'una con l'altra e si ripiegano in precursori di nanotubi di nitruro di boro.

"Durante la sintesi ad alta temperatura la densità dei piccoli ammassi di boro è bassa, " ha detto Barsukov. "Questo è il principale ostacolo alla produzione su larga scala".

I risultati hanno aperto un nuovo capitolo nella sintesi dei nanomateriali BNNT. "Dopo due anni di lavoro abbiamo trovato la strada, " Ha detto Kaganovich. "Mentre il boro si condensa forma grandi ammassi con cui l'azoto non reagisce. Ma il processo inizia con piccoli grappoli con cui l'azoto reagisce e c'è ancora una percentuale di piccoli grappoli man mano che le goccioline diventano più grandi, " Egli ha detto.

"La bellezza di questo lavoro, " Ha aggiunto, "è che poiché avevamo esperti in meccanica del plasma e dei fluidi e chimica quantistica, potevamo affrontare tutti questi processi insieme in un gruppo interdisciplinare. Ora dobbiamo confrontare i possibili risultati BNNT del nostro modello con gli esperimenti. Quella sarà la prossima fase della modellazione ."