Auteur et co-auteurs avec figure de papier. Dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du haut à gauche :l'auteur principal Yuri Barsukov avec les co-auteurs Igor Kaganovich, Alexandre Khrabry, Omesh Dwivedi, Sierra Jubin, Stéphane Éthier. Crédits :Batalova Valentina, Elle Starkman/Bureau des communications, Elle Starkman, Han Wei, Hannah Smith, Elle Starkman. Crédit :Elle Starkman.
Les scientifiques ont identifié une voie chimique vers un nanomatériau isolant innovant qui pourrait conduire à une production industrielle à grande échelle pour diverses utilisations, notamment dans les combinaisons spatiales et les véhicules militaires. Le nanomatériau, des milliers de fois plus fin qu'un cheveu humain, plus résistant que l'acier et incombustible - pourrait bloquer les radiations des astronautes et aider à renforcer le blindage des véhicules militaires, par exemple.
Des chercheurs collaboratifs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont proposé une voie chimique étape par étape vers les précurseurs de ce nanomatériau, appelés nanotubes de nitrure de bore (BNNT), ce qui pourrait conduire à leur production à grande échelle.
"Travail de pionnier"
Cette percée rassemble la physique des plasmas et la chimie quantique et s'inscrit dans le cadre de l'expansion de la recherche au PPPL. « Il s'agit d'un travail pionnier qui amène le Laboratoire dans de nouvelles directions, " a déclaré le physicien PPPL Igor Kaganovich, chercheur principal du projet BNNT et co-auteur de l'article qui détaille les résultats dans la revue Nanotechnologie .
Les collaborateurs ont identifié les étapes clés de la voie chimique comme la formation d'azote moléculaire et de petits amas de bore, qui peuvent réagir chimiquement ensemble lorsque la température créée par un jet de plasma se refroidit, a déclaré l'auteur principal Yuri Barsukov de l'Université polytechnique Pierre le Grand de Saint-Pétersbourg. Il a développé les voies des réactions chimiques en réalisant des simulations de chimie quantique avec l'aide d'Omesh Dwivedi, un stagiaire PPPL de l'Université Drexel, et Sierra Jubin, un étudiant diplômé du programme de Princeton en physique des plasmas.
L'équipe interdisciplinaire comprenait Alexander Khrabry, un ancien chercheur PPPL maintenant au Lawrence Livermore National Laboratory qui a développé un code thermodynamique utilisé dans cette recherche, et le physicien PPPL Stéphane Ethier qui a aidé les étudiants à compiler le logiciel et à mettre en place les simulations.
Les résultats ont résolu le mystère de la façon dont l'azote moléculaire, qui a la deuxième liaison chimique la plus forte parmi les diatomiques, ou molécules à double atome, peut néanmoins se séparer par réaction avec le bore pour former diverses molécules de nitrure de bore, dit Kaganovitch. "Nous avons passé un temps considérable à réfléchir à la façon d'obtenir des composés de bore - nitrure à partir d'un mélange de bore et d'azote, " dit-il. " Ce que nous avons trouvé, c'est que de petits amas de bore, contrairement aux gouttelettes de bore beaucoup plus grosses, interagir facilement avec les molécules d'azote. C'est pourquoi nous avions besoin d'un chimiste quantique pour effectuer avec nous les calculs détaillés de la chimie quantique."
Les BNNT ont des propriétés similaires aux nanotubes de carbone, qui sont produits à la tonne et que l'on trouve dans tout, des articles de sport et des vêtements de sport aux implants dentaires et aux électrodes. Mais la plus grande difficulté de produire des BNNT a limité leurs applications et leur disponibilité.
Voie chimique
La démonstration d'une voie chimique menant à la formation de précurseurs de BNNT pourrait faciliter la production de BNNT. Le processus de synthèse du BNNT commence lorsque les scientifiques utilisent un 10, Jet de plasma à 000 degrés pour transformer le bore et l'azote gazeux en plasma composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions, noyé dans un gaz de fond. Cela montre comment le processus se déroule :
"Pendant la synthèse à haute température, la densité de petits amas de bore est faible, " a déclaré Barsukov. "C'est le principal obstacle à la production à grande échelle."
Les résultats ont ouvert un nouveau chapitre dans la synthèse de nanomatériaux BNNT. « Après deux ans de travail, nous avons trouvé la voie, " a déclaré Kaganovich. " Au fur et à mesure que le bore se condense, il forme de gros amas avec lesquels l'azote ne réagit pas. Mais le processus commence avec de petits amas avec lesquels l'azote réagit et il y a toujours un pourcentage de petits amas à mesure que les gouttelettes grossissent, " il a dit.
« La beauté de ce travail, " il ajouta, « est-ce que puisque nous avions des experts en mécanique des plasmas et des fluides et en chimie quantique, nous pouvions passer par tous ces processus ensemble dans un groupe interdisciplinaire. Maintenant, nous devons comparer la sortie BNNT possible de notre modèle avec des expériences. Ce sera la prochaine étape de la modélisation ."
