Materiali molto resistenti e leggeri, in grado di resistere a temperature estremamente elevate, potrebbero inaugurare i veicoli spaziali di prossima generazione, migliorare i dispositivi attuali o consentire lo sviluppo di nuove applicazioni di imaging biomedico o di stoccaggio dell'idrogeno, tra gli altri.
A tal fine, gli scienziati della Rice University nel laboratorio di Angel Martí hanno scoperto un nuovo modo per realizzare nanotubi di nitruro di boro di elevata purezza, strutture cilindriche cave che possono resistere a temperature fino a 900°C (~1.652°F) pur essendo più resistenti rispetto all'acciaio in peso.
Secondo il loro nuovo studio pubblicato su Chimica dei Materiali , i ricercatori della Rice hanno scoperto come eliminare le impurità difficili da rimuovere nei nanotubi di nitruro di boro utilizzando acido fosforico e mettendo a punto la reazione.
"La sfida è che durante la sintesi del materiale, oltre ai tubi, ci ritroviamo con un sacco di materiale extra", ha affermato Kevin Shumard, dottorando in chimica e autore principale dello studio. "Come scienziati, vogliamo lavorare con il materiale più puro possibile in modo da limitare le variabili durante la sperimentazione. Questo lavoro ci porta un passo avanti verso la produzione di materiali con un potenziale di rinnovamento di intere industrie quando utilizzati come additivi per metalli o compositi ceramici per renderli ancora più forti."
Il "materiale extra" che di solito compromette la qualità e l'utilità dei nanotubi sono le gabbie di nitruro di boro, strutture cave a forma di sfera che incapsulano le particelle di boro. Un articolo pubblicato sul Journal of American Chemical Society nel 2013, che ha dimostrato che l'acido fosforico agiva come agente bagnante del nitruro di boro, ha ispirato i ricercatori a esplorare se potevano usare l'acido per rimuovere le gabbie.
"Non ci aspettavamo una reazione", ha detto Martí, professore di chimica, bioingegneria, scienza dei materiali e nanoingegneria, cattedra di chimica e direttore della facoltà del Rice Emerging Scholars Program.
E infatti, a temperatura ambiente, non è successo nulla. Ma quando la situazione si è surriscaldata, i ricercatori hanno avuto una sorpresa.
"Quando abbiamo guardato al microscopio, non abbiamo visto né tubi né gabbie", ha detto Martí. "Invece c'erano le piramidi."
I ricercatori hanno appreso che le alte temperature e le concentrazioni di acido erano distruttive per il nitruro di boro, quindi hanno rivisto la loro ipotesi e hanno invece mirato a mettere a punto la reazione per distruggere solo le strutture indesiderate nel materiale.
"Attraverso numerosi esperimenti, abbiamo sviluppato una direzione completamente nuova per la purificazione dei nanotubi", ha affermato Shumard. "Ho trascorso molto tempo davanti a un microscopio elettronico e ho letto molti articoli con immagini di nanotubi di nitruro di boro. Il materiale che possiamo realizzare è di gran lunga il tubo più puro che abbia mai visto rispetto ad altri."
I ricercatori intendono continuare i loro sforzi per migliorare la resa delle reazioni in modo da produrre abbastanza nanotubi per produrre fibre, che potrebbero rappresentare un'alternativa adeguata e più sostenibile all'acciaio.
"L'azoto costituisce il 70% della nostra atmosfera e il boro è molto abbondante nelle rocce", ha detto Shumard. "Questo lavoro potrebbe essere un trampolino di lancio verso materiali da costruzione molto migliori sia in termini di resistenza che di sostenibilità."
La struttura dei nanotubi di nitruro di boro è molto simile a quella dei nanotubi di carbonio, così come alcune delle loro proprietà come la resistenza alla trazione e la conduttività termica. Tuttavia, i nanotubi di nitruro di boro sono più resistenti e alcune delle loro proprietà sono complementari a quelle delle loro controparti in carbonio.
"Ad esempio, i nanotubi di carbonio possono essere conduttori elettrici o semiconduttori, mentre i nanotubi di nitruro di boro sono isolanti", ha detto Martí. "La scienza sui nanotubi di nitruro di boro non è così sviluppata come la scienza sui nanotubi di carbonio, una lacuna che speravamo di colmare nella nostra ricerca perché riteniamo che la capacità di produrre nanotubi di nitruro di boro puri in modo efficiente e affidabile potrebbe essere importante per una vasta gamma delle industrie."
Ulteriori informazioni: Kevin R. Shumard et al, Reattività dei nanomateriali di nitruro di boro con acido fosforico e sua applicazione nella purificazione dei nanotubi di nitruro di boro, Chimica dei materiali (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01424
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society , Chimica dei materiali
Fornito dalla Rice University
