Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert un moyen de « décorer » des nanotubes de nitrure de bore électriquement isolants avec des groupes fonctionnels, ce qui les rend plus adaptés à une utilisation avec des polymères et des matériaux composites. Crédit :Martí Research Group/Rice University
Les nanotubes de nitrure de bore sont prêts à devenir des blocs de construction efficaces pour les matériaux composites et polymères de nouvelle génération sur la base d'une nouvelle découverte à l'Université Rice et d'une précédente.
Les scientifiques de Rice connu pour son nano ont trouvé un moyen d'améliorer une classe unique de nanotubes à l'aide d'un processus chimique mis au point à l'université. Le laboratoire Rice du chimiste Angel Martí a profité du processus de réaction Billups-Birch pour améliorer les nanotubes de nitrure de bore.
Le travail est décrit dans la revue American Chemical Society ACS nanomatériaux appliqués .
Nanotubes de nitrure de bore, comme leurs cousins carbone, sont des feuilles roulées de matrices hexagonales. Contrairement aux nanotubes de carbone, ce sont des hybrides électriquement isolants faits d'atomes de bore et d'azote en alternance.
Les nanotubes isolants qui peuvent être fonctionnalisés seront une brique précieuse pour les projets de nano-ingénierie, dit Marti. « Les nanotubes de carbone ont des propriétés exceptionnelles, mais vous ne pouvez les obtenir que dans les types semi-conducteurs ou conducteurs métalliques, " at-il dit. " Les nanotubes de nitrure de bore sont des matériaux complémentaires qui peuvent combler cette lacune. "
Jusqu'à maintenant, ces nanotubes ont fermement résisté à la fonctionnalisation, la "décoration" des structures avec des additifs chimiques qui permet de les personnaliser pour les applications. Les propriétés mêmes qui confèrent résistance et stabilité aux nanotubes de nitrure de bore, surtout à haute température, les rendent également difficiles à modifier pour leur utilisation dans la production de matériaux avancés.
Les images au microscope électronique à transmission montrent un nanotube de nitrure de bore vierge à gauche et un nanotube fonctionnalisé à droite. Des scientifiques de l'Université Rice ont développé une méthode pour rendre les nanotubes de nitrure de bore isolants plus aptes à être utilisés dans les matériaux composites. Crédit :Martí Research Group/Rice University
Mais la réaction Billups-Birch développée par le professeur émérite de chimie Rice Edward Billups, qui libère les électrons pour se lier à d'autres atomes, a permis à Martí et à l'auteur principal Carlos de los Reyes de donner aux nanotubes de nitrure de bore électriquement inertes une charge négative.
Cette, à son tour, ouvert à la fonctionnalisation avec d'autres petites molécules, y compris les chaînes carbonées aliphatiques.
"Fonctionner les nanotubes modifie ou ajuste leurs propriétés, " dit Martí. " Quand ils sont vierges, ils sont dispersibles dans l'eau, mais une fois que nous attachons ces chaînes alkyle, ils sont extrêmement hydrophobes (qui évitent l'eau). Puis, si vous les mettez dans des solvants très hydrophobes comme ceux avec des hydrocarbures à longue chaîne, ils sont plus dispersibles que leur forme primitive.
"Cela nous permet d'affiner les propriétés des nanotubes et facilitera la prochaine étape vers les composites, " dit-il. " Pour cela, les matériaux doivent être compatibles.
Après avoir découvert le phénomène, de los Reyes a passé des mois à essayer de le reproduire de manière fiable. "Il y a eu une période où je devais faire une réaction tous les jours pour atteindre la reproductibilité, " dit-il. Mais cela s'est avéré être un avantage, car le processus n'a nécessité qu'environ une journée du début à la fin. « C'est l'avantage par rapport aux autres procédés pour fonctionnaliser les nanotubes de carbone. Il y en a qui sont très efficaces, mais cela peut prendre quelques jours."
L'assistant de recherche de l'Université Rice, Kendahl Walz Mitra, et l'étudiant diplômé Carlos de los Reyes travaillent avec un échantillon de nanotubes de nitrure de bore. Ils sont les auteurs d'un nouvel article qui montre comment fonctionnaliser les nanotubes intrinsèquement isolants pour une utilisation dans les composites. Crédit :Martí Research Group/Rice University
Le processus commence par l'ajout d'ammoniac pur aux nanotubes et son refroidissement à -70 degrés Celsius (-94 degrés Fahrenheit). "Quand il se combine avec du sodium, lithium ou potassium - nous utilisons du lithium - cela crée une mer d'électrons, " dit Martí. "Quand le lithium se dissout dans l'ammoniac, il expulse les électrons."
Les électrons libérés se lient rapidement aux nanotubes et fournissent des crochets pour d'autres molécules. De los Reyes a amélioré Billups-Birch lorsqu'il a découvert qu'en ajoutant lentement les chaînes alkyle, plutôt que tout à la fois, amélioré leur capacité à se lier.
Les chercheurs ont également découvert que le processus est réversible. Contrairement aux nanotubes de carbone qui brûlent, les nanotubes de nitrure de bore supportent la chaleur. Placer des tubes de nitrure de bore fonctionnalisés dans un four à 600 degrés Celsius (1, 112 degrés Fahrenheit) les a dépouillés des molécules ajoutées et les a ramenés à leur état presque vierge.
"Nous appelons cela la défonctionnalisation, " Martí a déclaré. "Vous pouvez les fonctionnaliser pour une application, puis supprimer les groupes chimiques pour retrouver le matériau vierge. C'est quelque chose d'autre que le matériel apporte qui est un peu différent."
