Lacroix Des ingénieurs du MIT et de l’Université de Tokyo ont produit des constructions à l’échelle centimétrique, suffisamment grandes pour que l’œil puisse les voir, qui contiennent des centaines de milliards de fibres creuses alignées, ou nanotubes, fabriqués à partir de nitrure de bore hexagonal.
Le nitrure de bore hexagonal, ou hBN. Lorsque le hBN est enroulé dans des tubes à l’échelle nanométrique, ou nanotubes, ses propriétés exceptionnelles sont considérablement améliorées.
Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui dans la revue ACS Nano, ouvrent la voie à la fabrication en masse de nanotubes de nitrure de bore alignés (A-BNNT). Les chercheurs prévoient d’exploiter la procedure pour fabriquer des réseaux à grande échelle de ces nanotubes, qui peuvent ensuite être combinés avec d’autres matériaux pour fabriquer des composites additionally solides et plus résistants à la chaleur, par exemple pour protéger les buildings spatiales et les avions hypersoniques.
Le hBN étant transparent et électriquement isolant. L’équipe étudie également les moyens de tisser les nanofibres dans des membranes pour la filtration de l’eau et pour “l’énergie bleue” – un strategy d’énergie renouvelable dans lequel l’électricité est produite à partir du filtrage ionique de l’eau salée en eau douce.
Brian Wardle, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT, evaluate les résultats de l’équipe à la poursuite keep on des scientifiques depuis des décennies dans la fabrication de nanotubes de carbone à grande échelle.
“En 1991, un seul nanotube de carbone a été identifié comme une selected intéressante, mais cela fait 30 ans que les nanotubes de carbone sont alignés en masse, et le monde n’en est même pas encore complètement là”, déclare Wardle. “Avec le travail que nous faisons.”
Wardle est l’auteur principal de la nouvelle étude, qui comprend l’auteur principal et chercheur au MIT Luiz Acauan, l’ancien publish-doctorant du MIT Haozhe Wang et des collaborateurs de l’Université de Tokyo.
Une vision alignée
le nitrure de bore hexagonal a une structure moléculaire ressemblant à du grillage à poule. cette configuration en fil de poulet est entièrement constituée d’atomes de carbone, disposés selon un motif répétitif d’hexagones. Pour hBN, les hexagones sont composés d’atomes alternés de bore et d’azote. Ces dernières années, les chercheurs ont découvert que les feuilles bidimensionnelles de hBN présentent des propriétés exceptionnelles de résistance, de rigidité et de résilience à des températures élevées. Lorsque des feuilles de hBN sont enroulées sous forme de nanotubes, ces propriétés sont encore améliorées, en particulier lorsque les nanotubes sont alignés, comme de minuscules arbres dans une forêt densément peuplée.
Mais trouver des moyens de synthétiser des BNNT stables et de haute qualité s’est avéré difficile. Une poignée d’efforts pour y parvenir ont produit des fibres non alignées de mauvaise qualité.
“Si vous pouvez les aligner, vous avez de bien meilleures odds d’exploiter les propriétés des BNNT à grande échelle pour fabriquer de véritables dispositifs physiques, composites et membranes”, déclare Wardle.
En 2020. Ils ont ensuite recouvert la forêt à foundation de carbone de “précurseurs” de bore et d’azote gazeux, qui, une fois cuits dans un 4 à haute température, se sont cristallisés sur les nanotubes de carbone pour former des nanotubes de haute qualité de nitrure de bore hexagonal avec des nanotubes de carbone à l’intérieur.
Échafaudages brûlants
Dans la nouvelle étude. en supprimant essentiellement les nanotubes de carbone sous-jacents et en laissant les longs nanotubes de nitrure de bore se tenir seuls. qui s’est concentré pendant des années sur la fabrication de réseaux alignés de haute qualité de nanotubes de carbone. Avec leurs travaux actuels.
“Les premières fois que nous l’avons fait, c’était des ordures complètement laide”, se souvient Wardle. “Les tubes se sont enroulés en boule et ils n’ont pas fonctionné.”
Finalement, l’équipe a trouvé une combinaison de températures, de pressions et de précurseurs qui ont fait l’affaire. Avec cette combinaison de processus., l’équipe a ensuite augmenté la chaleur pour brûler l’échafaudage de nanotubes de carbone noir sous-jacent, tout en laissant intacts les nanotubes de nitrure de bore transparents et autonomes.
Dans des visuals microscopiques, l’équipe a observé des structures cristallines claires, preuve que les nanotubes de nitrure de bore sont de haute qualité. Les buildings étaient également denses : dans un centimètre carré, les chercheurs ont pu synthétiser une forêt de plus de 100 milliards de nanotubes de nitrure de bore alignés, mesurant environ un millimètre de hauteur, suffisamment grande pour être visible à l’œil nu. Selon les normes d’ingénierie des nanotubes, ces proportions sont considérées comme étant “en vrac” à l’échelle.
“Nous sommes maintenant en mesure de fabriquer ces fibres nanométriques à grande échelle, ce qui n’a jamais été démontré auparavant”, déclare Acauan.
Pour démontrer la flexibilité de leur technique, l’équipe a synthétisé de furthermore grandes constructions à base de carbone, y compris un tissage de fibres de carbone. Ils ont recouvert chaque échantillon à foundation de carbone de précurseurs de bore et d’azote, puis ont suivi leur processus pour brûler le carbone sous-jacent. Dans chaque démonstration, ils se sont retrouvés avec une réplique en nitrure de bore de l’échafaudage unique en carbone noir.
Ils ont également pu “abattre” les forêts de BNNT, produisant des films de fibres alignés horizontalement qui sont une configuration préférée pour être incorporés dans des matériaux composites.
“Nous travaillons maintenant sur des fibres pour renforcer les composites à matrice céramique, pour les programs hypersoniques et spatiales où les températures sont très élevées. explique Wardle. “Vous pourriez fabriquer des matériaux transparents renforcés avec ces nanotubes très résistants.”
Cette recherche a été soutenue, en partie, par Airbus, ANSYS, Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB et Teijin Carbon The usa par le biais du consortium Nano-Engineered Composite aerospace Constructions (NECST) du MIT.
