Une nanostructure poreuse tridimensionnelle aurait un équilibre de résistance, ténacité et capacité de transfert de chaleur qui pourraient bénéficier à la nanoélectronique, stockage de gaz et matériaux composites remplissant de multiples fonctions, selon les ingénieurs de l'Université Rice.

Les chercheurs ont fait cette prédiction en utilisant des simulations informatiques pour créer une série de prototypes 3D avec du nitrure de bore, un composé chimique fait d'atomes de bore et d'azote. Leurs conclusions ont été publiées en ligne le 14 juillet dans le Journal de chimie physique C .

Les prototypes 3-D fusionnent des nanotubes de nitrure de bore unidimensionnels et des feuilles bidimensionnelles de nitrure de bore.

"Nous avons combiné les tubes et les feuilles ensemble pour les rendre tridimensionnels, offrant ainsi plus de fonctionnalités, " a déclaré Rouzbeh Shahsavari, professeur assistant de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie, qui a co-écrit l'article avec l'étudiant diplômé Navid Sakhavand. Dans la nanostructure 3D, les feuilles extrêmement minces de nitrure de bore sont empilées en couches parallèles, avec des piliers en forme de tube de nitrure de bore entre chaque couche pour maintenir les feuilles séparées.

Shahsavari a noté que dans les versions unidimensionnelles et bidimensionnelles du nitrure de bore, il y a toujours un biais dans les propriétés directionnelles, soit vers l'axe du tube, soit dans les directions dans le plan, qui ne convient pas à une utilisation 3D généralisée dans les applications technologiques et industrielles.

Par exemple, un nanotube de nitrure de bore unidimensionnel peut être étiré sur environ 20 % de sa longueur avant de se briser, mais le prototype 3-D de nitrure de bore peut être étiré sur environ 45 pour cent de sa longueur sans se casser.

Lorsque les matériaux de nitrure de bore à une ou deux dimensions typiques sont étirés dans une direction, ils ont tendance à rétrécir dans les autres directions perpendiculaires. Dans le prototype 3D, cependant, lorsque le matériau s'étire dans le sens du plan, il s'étend également dans des directions perpendiculaires. "Ici, la jonction entre les tubes et les feuilles a une structure unique en forme de courbe qui contribue à ce phénomène intéressant, connu sous le nom d'effet auxétique, " a déclaré Shahsavari.

Les propriétés de transport thermique du prototype 3D sont également avantageuses, il a dit. Les tubes unidimensionnels de nitrure de bore et les feuilles bidimensionnelles peuvent transporter la chaleur très rapidement mais seulement dans une ou deux directions. Le prototype 3D transporte la chaleur relativement rapidement dans toutes les directions 3D. "Cette fonctionnalité est idéale pour les applications qui nécessitent des matériaux ou des revêtements ayant la capacité de diffusion thermique extrêmement rapide dans les environnements. Les exemples incluent les moteurs de voiture ou les processeurs informatiques où un transfert de chaleur rapide vers les environnements est essentiel au bon fonctionnement, " a déclaré Shahsavari.

Le prototype 3-D de nitrure de bore a une structure très poreuse et légère. Chaque gramme de cette structure aux allures de fromage suisse a une surface équivalente à trois courts de tennis. Une surface aussi élevée se prête à des applications personnalisées. Shahsavari et Sakhavand ont prédit que le prototype 3-D de nitrure de bore permettrait un stockage et une séparation efficaces du gaz, par exemple, dans les véhicules qui fonctionnent sur des piles à hydrogène.

Contrairement aux nanostructures à base de graphène, le nitrure de bore est un matériau électriquement isolant. Ainsi, le prototype 3-D de nitrure de bore a le potentiel de compléter la nanoélectronique à base de graphène, y compris le potentiel de la prochaine génération de semi-conducteurs 3D et de dispositifs de transport thermique 3D qui pourraient être utilisés dans des calorimètres à l'échelle nanométrique, procédés microélectroniques et réfrigérateurs macroscopiques.

Le prototype de nitrure de bore 3D réel doit encore être créé en laboratoire, et de nombreux efforts sont déjà en cours. "Nos simulations informatiques montrent quelles propriétés peuvent être attendues de ces structures et quels sont les facteurs clés qui contrôlent leur fonctionnalité, " a déclaré Shahsavari.