Un'illustrazione confronta le scaglie di nitruro di boro esagonale, in alto, e il nitruro di boro turbostratico, in basso, quest'ultimo sintetizzato attraverso il processo di riscaldamento flash Joule sviluppato alla Rice. I materiali bidimensionali sono turbostratici quando le interazioni tra i loro strati sono deboli, rendendoli più facili da separare e solubilizzare. Credito:gruppo turistico
Gli scienziati della Rice University che "flash" materiali per sintetizzare sostanze come il grafene hanno rivolto la loro attenzione al nitruro di boro, molto apprezzato per la sua stabilità termica e chimica.
Il processo del laboratorio Rice del chimico James Tour espone un precursore al riscaldamento e al raffreddamento rapidi per produrre materiali bidimensionali, in questo caso nitruro di boro puro e nitruro di boro di carbonio. Entrambi sono stati finora difficili da creare alla rinfusa e quasi impossibile da produrre in una forma facilmente solubile.
Il rapporto del laboratorio in Materiali avanzati spiega in che modo il riscaldamento flash Joule, una tecnica introdotta dal laboratorio Tour nel 2020, può essere messo a punto per preparare fiocchi purificati e microscopici di nitruro di boro con vari gradi di carbonio.
Gli esperimenti con il materiale hanno mostrato che le scaglie di nitruro di boro possono essere utilizzate come parte di un potente rivestimento anticorrosivo.
"Il nitruro di boro è un materiale 2D molto ricercato", ha affermato Tour. "Essere in grado di produrlo sfuso, e ora con quantità miste di carbonio, lo rende ancora più versatile."
Su scala nanometrica, il nitruro di boro si presenta in diverse forme, inclusa una configurazione esagonale che assomiglia al grafene ma con atomi di boro e azoto alternati anziché carbonio. Il nitruro di boro è morbido, quindi è spesso usato come lubrificante e come additivo per i cosmetici e si trova anche nella ceramica e nei composti metallici per migliorare la loro capacità di gestire il calore elevato.
Particelle di nitruro di boro flash tagliate meccanicamente, viste attraverso un microscopio elettronico a scansione. La freccia mostra la direzione della forza di taglio applicata al materiale. Il processo di riscaldamento flash Joule sviluppato da Rice crea materiali turbostratici con interazioni deboli tra gli strati, rendendoli più facili da separare. Credito:gruppo turistico
L'ingegnere chimico della Rice Michael Wong ha recentemente riferito che il nitruro di boro è un catalizzatore efficace nell'aiutare a distruggere il PFAS, una pericolosa "chimica per sempre" che si trova nell'ambiente e negli esseri umani.
Il riscaldamento di Flash Joule comporta il riempimento di materiali sorgente tra due elettrodi in un tubo e l'invio di una rapida scossa di elettricità attraverso di essi. Per il grafene, i materiali possono essere qualsiasi cosa che contenga carbonio, con i rifiuti alimentari e le parti di automobili in plastica usate sono solo due esempi. Il processo ha anche isolato con successo gli elementi delle terre rare dalle ceneri volanti del carbone e da altre materie prime.
Negli esperimenti guidati dallo studente laureato della Rice Weiyin Chen, il laboratorio ha alimentato ammoniaca borano (BH3 NH3 ) nella camera flash con quantità variabili di nerofumo, a seconda del prodotto desiderato. Il campione è stato quindi lampeggiato due volte, prima con 200 volt per degassare il campione di elementi estranei e ancora con 150 volt per completare il processo, con un tempo totale di lampeggiamento inferiore a un secondo.
Le immagini al microscopio hanno mostrato che i fiocchi sono turbostratici, cioè disallineati come lastre mal impilate, con interazioni indebolite tra di loro. Ciò rende i fiocchi facili da separare.
Sono anche facilmente solubili, il che ha portato agli esperimenti anti-corrosione. Il laboratorio ha miscelato nitruro di boro flash con alcol polivinilico (PVA), ha dipinto il composto su una pellicola di rame ed ha esposto la superficie all'ossidazione elettrochimica in un bagno di acido solforico.
Il composto flash si è rivelato più del 92% migliore nel proteggere il rame rispetto al solo PVA o un composto simile con nitruro di boro esagonale commerciale. Le immagini al microscopio hanno mostrato che il composto ha creato "percorsi di diffusione tortuosi per elettroliti corrosivi" per raggiungere il rame e ha anche impedito la migrazione degli ioni metallici.
Chen ha affermato che la conduttività del precursore può essere regolata non solo aggiungendo carbonio ma anche con ferro o tungsteno.
Ha detto che il laboratorio vede il potenziale per il flashing di materiali aggiuntivi. "I precursori che sono stati utilizzati in altri metodi, come la deposizione idrotermale e chimica da vapore, possono essere provati nel nostro metodo flash per vedere se siamo in grado di preparare più prodotti con caratteristiche metastabili", ha affermato Chen. "Abbiamo dimostrato carburi metallici in fase metastabili lampeggianti e dicalcogenuri di metalli di transizione e questa parte merita ulteriori ricerche". + Esplora ulteriormente
