Блог

Jul 06, 2023

Жидкие кристаллы аккуратных нанотрубок нитрида бора и их сборка в упорядоченные макроскопические материалы

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3136 (2022) Цитировать эту статью

5155 Доступов

8 цитат

92 Альтметрика

Подробности о метриках

Нанотрубки нитрида бора (БННТ) привлекли внимание своими предсказанными необычными свойствами; тем не менее, проблемы синтеза и обработки затормозили прогресс в области макроскопических материалов. Последние достижения привели к производству очень чистых БННТ. Здесь мы сообщаем, что чистые БННТ растворяются в хлорсульфоновой кислоте (CSA) и образуют двулучепреломляющие жидкокристаллические домены при концентрациях выше 170 ppmw. Эти тактоидные домены сливаются в области размером в миллиметр при обработке светом ультразвука в капиллярах. Криогенная электронная микроскопия напрямую показывает нематическое выравнивание БННТ в растворе. Жидкие кристаллы БННТ можно перерабатывать в ориентированные пленки и экструдировать в аккуратные волокна БННТ. Это исследование нематических жидких кристаллов БННТ демонстрирует их способность образовывать макроскопические материалы, которые можно использовать в высокопроизводительных приложениях.

Нанотрубки нитрида бора (БННТ) представляют собой стержнеобразные наноструктуры с высоким аспектным соотношением, диаметром несколько нанометров и длиной микрон1. С химической точки зрения БННТ состоят из чередующихся атомов бора и азота в гексагонально связанном листе, свернутом в бесшовную цилиндрическую структуру, которая обуславливает несколько уникальных свойств2. Помимо механической прочности3,4, БННТ являются теплопроводными5, электроизолирующими2, защищающими от нейтронов6, пьезоэлектрическими7 и термически стабильными до 900 °C на воздухе8,9. Эти свойства желательны для многих применений, включая аэрокосмическую, электронику и производство энергоэффективных материалов. Однако полезность БННТ еще не полностью осознана, поскольку их замечательные свойства наблюдались только на микроскопическом уровне10. Будущие улучшения качества материалов и технологий обработки позволят создавать высокопроизводительные аккуратные изделия из БННТ с исключительными свойствами для использования в экстремальных условиях.

Собственные свойства наноразмерных строительных блоков могут быть переведены в макроскопический масштаб путем управления дальним упорядочением, как это было достигнуто с помощью углеродных нанотрубок (УНТ)11, структурных аналогов БННТ, которые имеют многие из их желаемых свойств, помимо превосходной термической стабильности12. . Например, плотно упакованные и хорошо выровненные волокна УНТ обеспечивают высокие характеристики (например, прочность на разрыв13 выше 4 ГПа и электропроводность13 выше 10 МС/м) при использовании нескольких способов, включая прямое прядение14,15, мокрое прядение16,17,18 и ковровое прядение19. , 20. До сих пор ни один из этих методов не был эффективно использован для получения упорядоченных материалов БННТ. Из этих способов мокрое прядение кажется наиболее легко адаптированным для обработки БННТ, поскольку оно не зависит от метода синтеза. Тем не менее, мокрое прядение требует растворителя для нанотрубок и, предпочтительно, образования жидкого кристалла наностержня. Дисперсии индивидуализированных БННТ могут быть достигнуты с использованием хлорсульфоновой кислоты (CSA)21. Кляйнерман и др. выдвинул гипотезу, что протонирование атомов азота внешней стенки BNNT придает их поверхности чистый положительный заряд; положительно заряженные БННТ отталкивают друг друга, что приводит к их индивидуализации, как и в случае УНТ21. Однако структура связей БННТ будет локализовать протоны на атомах азота – в отличие от УНТ, где общие π-электроны способствуют делокализации и, следовательно, дальнейшей стабилизации положительных зарядов при растворении УНТ в кислотах22. Эта менее эффективная стабилизация заряда (и локализация заряда на атомах азота), вероятно, приведет к некоторому остаточному дальнодействующему притяжению БННТ в CSA (которое отсутствует для УНТ в CSA23), что согласуется с более высоким, чем прогнозировалось, изотропно-нематическим фазовые переходы, наблюдаемые в данной работе. До сих пор образования жидких кристаллов БННТ не удалось достичь, возможно, из-за примесей в образце (например, гексагонального нитрида бора (h-BN) и элементарного бора24), которые затрудняют индивидуализацию и выравнивание БННТ. Предыдущая работа предполагала спонтанное упорядочение гибридных систем ДНК-BNNT, но выровненные структуры наблюдались только в высушенных пленках BNNT, обернутых ДНК, после удаления растворителя путем фильтрации25 или испарения26.