在纳米管科学中氮化硼是新碳吗
麻省理工学院和东京大学的工程师已经制造出厘米级的结构，大到肉眼可以看到，其中包含数千亿由六方氮化硼制成的中空排列纤维或纳米管。
六方氮化硼(hBN)是一种单原子薄的材料，因其透明的外观以及在分子结构和强度上与碳基石墨烯相似而被称为“白色石墨烯”。它还可以承受比石墨烯更高的温度，并且是电绝缘的，而不是导电的。当 hBN 被卷成纳米级管或纳米管时，其卓越性能显着增强。
该团队的研究结果今天发表在ACS Nano杂志上，为批量制造对齐的氮化硼纳米管 (A-BNNT) 提供了一条途径。研究人员计划利用该技术制造这些纳米管的大尺寸阵列，然后可以将其与其他材料结合以制造更坚固、更耐热的复合材料，例如屏蔽太空结构和高超音速飞机。
由于 hBN 是透明且电绝缘的，该团队还设想将 BNNT 整合到透明窗口中，并使用它们对电子设备内的传感器进行电绝缘。该团队还在研究将纳米纤维编织成膜以进行水过滤和“蓝色能源”的方法——这是一种可再生能源的概念，其中电力是通过将盐水离子过滤到淡水中产生的。
麻省理工学院航空航天学教授布赖恩·沃德尔(Brian Wardle)将该团队的成果比作科学家们数十年来对制造大块碳纳米管的持续追求。
“在 1991 年，单根碳纳米管被认为是一件有趣的事情，但 30 年之后才发现块状排列的碳纳米管，而世界还没有完全做到这一点，”Wardle 说。“通过我们正在做的工作，我们刚刚缩短了大约 20 年的时间来获得对齐的氮化硼纳米管的批量版本。”
Wardle 是这项新研究的高级作者，其中包括主要作者和麻省理工学院研究科学家 Luiz Acauan、前麻省理工学院博士后 Haozhe Wang 以及东京大学的合作者。
愿景一致
与石墨烯一样，六方氮化硼的分子结构类似于铁丝网。在石墨烯中，这种铁丝网结构完全由碳原子组成，以重复的六边形图案排列。对于 hBN，六边形由交替的硼和氮原子组成。近年来，研究人员发现，二维 hBN 片材在高温下表现出优异的强度、刚度和弹性。当 hBN 片材卷成纳米管形式时，这些特性会进一步增强，特别是当纳米管排列整齐时，就像密集森林中的小树一样。
但事实证明，寻找合成稳定、高质量 BNNT 的方法具有挑战性。一些这样做的努力产生了低质量的非对齐纤维。
“如果你能对齐它们，你就有更好的机会大规模利用 BNNT 的特性来制造实际的物理设备、复合材料和膜，”Wardle 说。
2020 年，东京大学的 Rong Xiang 及其同事发现，他们可以首先使用传统的化学气相沉积方法来生长一片短而几微米长的碳纳米管森林，从而生产出高质量的氮化硼纳米管。然后，他们在碳基森林上涂上硼和氮气的“前体”，当在高温烤箱中烘烤时，它们会结晶到碳纳米管上，形成内部含有碳纳米管的高质量六方氮化硼纳米管。
燃烧的脚手架
在这项新研究中，Wardle 和 Acauan 扩展并扩展了向翔的方法，基本上去除了下面的碳纳米管，让长的氮化硼纳米管独立存在。该团队利用了 Wardle 团队的专业知识，该团队多年来一直专注于制造高质量的排列整齐的碳纳米管阵列。通过他们目前的工作，研究人员寻找调整化学气相沉积过程的温度和压力的方法，以去除碳纳米管，同时保持氮化硼纳米管完好无损。
“我们最初几次这样做，完全是丑陋的垃圾，”沃德尔回忆道。“管子卷成一个球，但它们不起作用。”
最终，该团队找到了成功的温度、压力和前体组合。通过这种工艺组合，研究人员首先重现了向翔合成涂有氮化硼的碳纳米管所采取的步骤。由于 hBN 比石墨烯更能抵抗更高的温度，因此该团队随后提高了热量以烧掉下面的黑色碳纳米管支架，同时保持透明、独立的氮化硼纳米管完好无损。
在显微图像中，研究小组观察到清晰的晶体结构——证明氮化硼纳米管具有高质量的证据。这些结构也很密集：在平方厘米内，研究人员能够合成一个由超过 1000 亿个排列整齐的氮化硼纳米管组成的森林，其高度约为一毫米——大到肉眼可见。根据纳米管工程标准，这些尺寸在规模上被认为是“大块”的。
“我们现在能够大规模制造这些纳米级纤维，这是以前从未展示过的，”Acauan 说。
为了展示他们技术的灵活性，该团队合成了更大的碳基结构，包括碳纤维编织物、“模糊”碳纳米管垫和被称为“巴克纸”的随机取向碳纳米管片。他们在每个碳基样品上涂上硼和氮前体，然后通过他们的过程烧掉下面的碳。在每次演示中，他们都留下了原始黑碳支架的氮化硼复制品。
他们还能够“击倒”BNNT 的森林，生产出水平排列的纤维薄膜，这种薄膜是结合到复合材料中的首选配置。
“我们现在正致力于研究用于增强陶瓷基复合材料的纤维，用于高温的高超声速和太空应用，以及用于需要光学透明的设备的窗户，”Wardle 说。“你可以制造出用这些非常坚固的纳米管加固的透明材料。”
这项研究得到了空中客车公司、ANSYS、波音公司、巴西航空工业公司、洛克希德马丁公司、萨博公司和帝人碳公司通过麻省理工学院纳米工程复合航空航天结构 (NECST) 联盟的部分支持。