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Jan 16, 2024

Cristalli liquidi di nanotubi di nitruro di boro puri e loro assemblaggio in materiali macroscopici ordinati

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3136 (2022) Citare questo articolo

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I nanotubi di nitruro di boro (BNNT) hanno attirato l'attenzione per le loro straordinarie proprietà previste; tuttavia, le sfide nella sintesi e nella lavorazione hanno soffocato il progresso sui materiali macroscopici. I recenti progressi hanno portato alla produzione di BNNT altamente puri. Qui riportiamo che i BNNT puliti si dissolvono nell'acido clorosolfonico (CSA) e formano domini di cristalli liquidi birifrangenti a concentrazioni superiori a 170 ppmw. Questi domini tattoidali si fondono in regioni di dimensioni millimetriche dopo la leggera sonicazione nei capillari. La microscopia elettronica criogenica mostra direttamente l'allineamento nematico dei BNNT in soluzione. I cristalli liquidi BNNT possono essere trasformati in pellicole allineate ed estrusi in fibre BNNT pulite. Questo studio sui cristalli liquidi nematici dei BNNT dimostra la loro capacità di formare materiali macroscopici da utilizzare in applicazioni ad alte prestazioni.

I nanotubi di nitruro di boro (BNNT) sono nanostrutture simili a bastoncini ad alto rapporto di aspetto, di pochi nanometri di diametro e di micron di lunghezza1. Chimicamente, i BNNT sono composti da atomi di boro e azoto alternati in un foglio legato esagonale, fatto scorrere per formare una struttura cilindrica senza soluzione di continuità che dà origine a diverse proprietà uniche2. Oltre ad essere meccanicamente resistenti3,4, i BNNT sono termicamente conduttivi5, elettricamente isolanti2, schermanti contro i neutroni6, piezoelettrici7 e termicamente stabili fino a 900 °C in aria8,9. Queste proprietà sono desiderabili per molte applicazioni, tra cui aerospaziale, elettronica e materiali ad alta efficienza energetica. Tuttavia, l’utilità dei BNNT non è ancora stata pienamente compresa, poiché le loro notevoli proprietà sono state osservate solo a livello microscopico10. I futuri miglioramenti nella qualità dei materiali e nelle tecniche di lavorazione consentiranno articoli BNNT puliti ad alte prestazioni con proprietà straordinarie per l’uso in ambienti estremi.

Le proprietà intrinseche dei mattoni su scala nanometrica possono essere tradotte su scala macroscopica controllando l'ordinamento a lungo raggio, come è stato ottenuto con i nanotubi di carbonio (CNT)11, analoghi strutturali dei BNNT che condividono molte delle loro proprietà desiderabili, a parte la stabilità termica superiore12 . Ad esempio, le fibre CNT strettamente impaccate e altamente allineate offrono prestazioni elevate (ad esempio, resistenza alla trazione13 superiore a 4 GPa e conduttività elettrica13 superiore a 10 MS/m) attraverso molteplici percorsi, tra cui la filatura diretta14,15, la filatura a umido16,17,18 e la filatura del tappeto19 ,20. Finora nessuno di questi metodi è stato effettivamente impiegato per produrre materiali BNNT ordinati. Di questi percorsi, la filatura a umido sembra quella più facilmente adatta alla lavorazione dei BNNT perché è indipendente dal metodo di sintesi. Tuttavia, la filatura a umido richiede un solvente per i nanotubi e preferibilmente la formazione di un cristallo liquido di nanoasta. Dispersioni di BNNT individualizzati possono essere ottenute utilizzando acido clorosolfonico (CSA)21. Kleinermann et al. hanno ipotizzato che la protonazione degli atomi di azoto della parete esterna del BNNT conferisca una carica positiva netta alla loro superficie; i BNNT caricati positivamente si respingono a vicenda portando alla loro individualizzazione, come nel caso dei CNT21. Tuttavia, la struttura di legame dei BNNT localizzerebbe i protoni sugli atomi di azoto, a differenza dei CNT, dove gli elettroni π condivisi favoriscono la delocalizzazione e quindi un’ulteriore stabilizzazione delle cariche positive quando i CNT sono disciolti negli acidi22. Questa stabilizzazione della carica meno efficace (e localizzazione della carica sugli atomi di azoto) probabilmente porterà ad una certa attrazione residua a lungo raggio dei BNNT nel CSA (che è assente per i CNT nel CSA23), coerente con l'isotropo-nematico più alto del previsto transizioni di fase osservate in questo lavoro. Finora, la formazione di cristalli liquidi BNNT non è stata raggiunta, probabilmente a causa delle impurità del campione (ad esempio, nitruro di boro esagonale (h-BN) e boro elementare24), che ostacolano l'individualizzazione e l'allineamento dei BNNT. Lavori precedenti hanno suggerito un ordinamento spontaneo dei sistemi ibridi DNA-BNNT, ma le strutture allineate sono state osservate solo in film essiccati di BNNT avvolti nel DNA dopo la rimozione del solvente mediante filtrazione25 o evaporazione26.