Des matériaux très solides et légers, capables de résister à des températures extrêmement élevées, pourraient ouvrir la voie à des engins spatiaux de nouvelle génération, améliorer les appareils actuels ou permettre le développement de nouvelles applications d'imagerie biomédicale ou de stockage d'hydrogène, entre autres.

À cette fin, les scientifiques de l'Université Rice du laboratoire d'Angel Martí ont découvert une nouvelle façon de fabriquer des nanotubes de nitrure de bore de haute pureté, des structures cylindriques creuses qui peuvent résister à des températures allant jusqu'à 900°C (~1 652°F) tout en étant plus résistantes. que l'acier en poids.

Selon leur nouvelle étude publiée dans Chemistry of Materials , Les chercheurs de Rice ont découvert comment éliminer les impuretés difficiles à éliminer dans les nanotubes de nitrure de bore en utilisant de l'acide phosphorique et en affinant la réaction.

"Le défi est que lors de la synthèse du matériau, en plus des tubes, nous nous retrouvons avec beaucoup de choses supplémentaires", a déclaré Kevin Shumard, doctorant en chimie et auteur principal de l'étude. "En tant que scientifiques, nous voulons travailler avec le matériau le plus pur possible afin de limiter les variables lors de nos expériences. Ce travail nous rapproche de la fabrication de matériaux susceptibles de réorganiser des industries entières lorsqu'ils sont utilisés comme additifs pour les métaux ou les composites céramiques. rendez-les encore plus forts."

Les « éléments supplémentaires » qui nuisent généralement à la qualité et à l’utilité des nanotubes sont les cages de nitrure de bore, des structures creuses en forme de sphère qui encapsulent les particules de bore. Un article publié dans le Journal of the American Chemical Society en 2013, qui a montré que l'acide phosphorique agissait comme un agent mouillant au nitrure de bore, a incité les chercheurs à explorer s'ils pouvaient utiliser l'acide pour retirer les cages.

"Nous ne nous attendions pas à une réaction", a déclaré Martí, professeur de chimie, de bio-ingénierie, de science des matériaux et de nano-ingénierie, directeur de la faculté de chimie et directeur du Rice Emerging Scholars Program.

Et effectivement, à température ambiante, rien ne s’est passé. Mais quand ils ont fait monter la température, les chercheurs ont eu une surprise.

"Lorsque nous avons regardé au microscope, nous n'avons vu ni tubes ni cages", a déclaré Martí. "Au lieu de cela, il y avait des pyramides."

Les chercheurs ont appris que les températures élevées et les concentrations d'acide étaient destructrices pour le nitrure de bore. Ils ont donc révisé leur hypothèse et ont plutôt cherché à ajuster la réaction pour détruire uniquement les structures indésirables du matériau.

"Grâce à de nombreuses expérimentations, nous avons développé une toute nouvelle direction pour la purification des nanotubes", a déclaré Shumard. "J'ai passé beaucoup de temps devant un microscope électronique et lu de nombreux articles contenant des images de nanotubes de nitrure de bore. Le matériau que nous pouvons fabriquer est de loin le tube le plus pur que j'ai vu par rapport aux autres."

Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs efforts pour améliorer les rendements des réactions afin de produire suffisamment de nanotubes pour fabriquer des fibres, ce qui pourrait constituer une alternative appropriée et plus durable à l'acier.

"L'azote représente 70 % de notre atmosphère et le bore est très abondant dans les roches", a déclaré Shumard. "Ce travail pourrait être un tremplin vers des matériaux de construction bien meilleurs, tant en termes de résistance qu'en termes de durabilité."

La structure des nanotubes de nitrure de bore est très similaire à celle des nanotubes de carbone, tout comme certaines de leurs propriétés telles que la résistance à la traction et la conductivité thermique. Cependant, les nanotubes de nitrure de bore sont plus résistants et certaines de leurs propriétés sont complémentaires de celles de leurs homologues carbonés.

"Par exemple, les nanotubes de carbone peuvent être des conducteurs électriques ou des semi-conducteurs, tandis que les nanotubes de nitrure de bore sont des isolants", a expliqué Martí. "La science sur les nanotubes de nitrure de bore n'est pas aussi développée que celle sur les nanotubes de carbone - une lacune que nous espérions combler dans nos recherches car nous pensons que la capacité de produire des nanotubes de nitrure de bore purs de manière efficace et fiable pourrait être importante pour un large éventail d'applications. des industries."

Plus d'informations : Kevin R. Shumard et al, Réactivité des nanomatériaux de nitrure de bore avec l'acide phosphorique et son application dans la purification des nanotubes de nitrure de bore, Chimie des matériaux (2023). DOI :10.1021/acs.chemmater.3c01424

Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society , Chimie des Matériaux

Fourni par l'Université Rice