Гексагональный нитрид бора, или hBN, представляет собой материал толщиной в один атом, который получил название "белый графен" за его прозрачный внешний вид и сходство с графеном на основе углерода по молекулярной структуре и прочности. Он также может выдерживать более высокие температуры, чем графен, и является электроизоляционным, а не проводящим материалом. Когда hBN сворачивают в нанометровые трубки или нанотрубки, его исключительные свойства значительно улучшаются.

Результаты команды, опубликованные сегодня в журнале ACS Nano, обеспечивают путь к изготовлению выровненных нанотрубок из нитрида бора (A-BNNTs) оптом. Исследователи планируют использовать эту технологию для изготовления массивов этих нанотрубок в больших масштабах, которые затем могут быть объединены с другими материалами для получения более прочных и термостойких композитов, например, для защиты космических конструкций и гиперзвуковых самолетов.

Поскольку hBN прозрачен и электрически изолирован, команда также предполагает внедрение BNNT в прозрачные окна и использование их для электрической изоляции датчиков в электронных устройствах. Команда также изучает способы вплетения нановолокон в мембраны для фильтрации воды и для "голубой энергии" - концепции возобновляемой энергетики, в которой электричество вырабатывается в результате ионной фильтрации соленой воды в пресную.

Брайан Уордл, профессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института, сравнивает результаты команды с многолетним стремлением ученых к производству объемных углеродных нанотрубок.

"В 1991 году одна углеродная нанотрубка была идентифицирована как интересная вещь, но прошло 30 лет с момента создания объемных углеродных нанотрубок, а мир еще даже не до конца дошел до этого", - говорит Уордл. "Благодаря работе, которую мы проводим, мы только что сократили около 20 лет, чтобы перейти к массовым версиям выровненных нанотрубок из нитрида бора".

Уордл является старшим автором нового исследования, в которое входят ведущий автор и научный сотрудник Массачусетского технологического института Луис Акауан, бывший постдок Массачусетского технологического института Хаочже Ван и сотрудники Токийского университета.

Видение, согласованное

Как и графен, гексагональный нитрид бора имеет молекулярную структуру, напоминающую проволочную сетку. В графене эта конфигурация из проволочной сетки полностью состоит из атомов углерода, расположенных в виде повторяющихся шестиугольников. Для hBN шестиугольники состоят из чередующихся атомов бора и азота. В последние годы исследователи обнаружили, что двумерные листы hBN проявляют исключительные свойства прочности, жесткости и упругости при высоких температурах. Когда листы hBN сворачиваются в форму нанотрубок, эти свойства еще больше усиливаются, особенно когда нанотрубки выровнены, подобно крошечным деревьям в густом лесу.

Но поиск способов синтеза стабильных, высококачественных BNNT оказался непростой задачей. Несколько попыток сделать это привели к получению низкокачественных, не выровненных волокон.

"Если вы сможете выровнять их, у вас будет гораздо больше шансов использовать свойства BNNTs в массовом масштабе для создания реальных физических устройств, композитов и мембран", - говорит Уордл.

В 2020 году Ронг Сян и его коллеги из Токийского университета обнаружили, что они могут производить высококачественные нанотрубки из нитрида бора, сначала используя традиционный подход химического осаждения из паровой фазы для выращивания леса коротких углеродных нанотрубок длиной в несколько микрон. Затем они покрыли древесину на основе углерода "предшественниками" бора и газообразного азота, которые при запекании в духовке при высоких температурах кристаллизуются на углеродных нанотрубках, образуя высококачественные нанотрубки из гексагонального нитрида бора с углеродными нанотрубками внутри.

Горящие строительные леса

В новом исследовании Уордл и Акауан расширили и масштабировали подход Сяна, по существу удалив лежащие в основе углеродные нанотрубки и оставив длинные нанотрубки из нитрида бора стоять самостоятельно. Команда опиралась на опыт группы Уордла, которая в течение многих лет занималась изготовлением высококачественных выровненных массивов углеродных нанотрубок. В своей текущей работе исследователи искали способы изменить температуру и давление процесса химического осаждения из паровой фазы, чтобы удалить углеродные нанотрубки, оставив нанотрубки из нитрида бора нетронутыми.

"Первые несколько раз, когда мы это делали, это был совершенно уродливый мусор", - вспоминает Уордл. "Трубки свернулись в клубок, и они не сработали".

В конце концов команда нашла комбинацию температур, давлений и прекурсоров, которая сделала свое дело. С помощью этой комбинации процессов исследователи впервые воспроизвели шаги, которые предпринял Сян для синтеза углеродных нанотрубок, покрытых нитридом бора. Поскольку hBN устойчив к более высоким температурам, чем графен, команда затем увеличила нагрев, чтобы сжечь нижележащий каркас из черных углеродных нанотрубок, оставив прозрачные отдельно стоящие нанотрубки из нитрида бора нетронутыми.

На микроскопических изображениях команда наблюдала четкие кристаллические структуры - свидетельство того, что нанотрубки из нитрида бора обладают высоким качеством. Структуры также были плотными: в пределах квадратного сантиметра исследователи смогли синтезировать лес из более чем 100 миллиардов выровненных нанотрубок нитрида бора, высота которых составляла около миллиметра - достаточно большой, чтобы быть видимым глазом. По стандартам нанотрубочной инженерии эти размеры считаются "объемными" по масштабу.

"Теперь мы можем производить эти наноразмерные волокна в массовом масштабе, чего никогда раньше не было показано", - говорит Акауан.

Чтобы продемонстрировать гибкость своей техники, команда синтезировала более крупные структуры на основе углерода, включая переплетение углеродных волокон, мат из "нечетких" углеродных нанотрубок и листы случайно ориентированных углеродных нанотрубок, известных как "бакипапер". Они покрыли каждый образец на основе углерода предшественниками бора и азота, затем прошли через их процесс, чтобы сжечь лежащий в основе углерод. В каждой демонстрации им оставляли копию оригинального каркаса из черного углерода, изготовленного из нитрида бора.

Они также смогли "разрушить" леса BNNTs, производя горизонтально выровненные волокнистые пленки, которые являются предпочтительной конфигурацией для включения в композитные материалы.

"Сейчас мы работаем над волокнами для усиления композитов с керамической матрицей, для гиперзвуковых и космических применений, где действуют очень высокие температуры, а также для окон для устройств, которые должны быть оптически прозрачными", - говорит Уордл. "Вы могли бы создавать прозрачные материалы, усиленные этими очень прочными нанотрубками".

Это исследование было частично поддержано Airbus, ANSYS, Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB и Teijin Carbon America через консорциум наноинженерных композитных аэрокосмических конструкций Массачусетского технологического института (NECST).