Нанотрубка из нитрида бора
Нанотрубки нитрида бора ( БННТ ) представляют собой полиморфную модификацию нитрида бора . Они были предсказаны в 1994 году. [ 2 ] и экспериментально обнаружен в 1995 году. [ 3 ] Структурно они похожи на углеродные нанотрубки , которые представляют собой цилиндры субмикронного диаметра и микрометровой длины, за исключением того, что атомы углерода попеременно замещены атомами азота и бора. Однако свойства нанотрубок BN сильно различаются: тогда как углеродные нанотрубки могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от направления и радиуса прокатки, нанотрубка BN представляет собой электрический изолятор с запрещенной зоной ~ 5,5 эВ, практически не зависящий от хиральности и морфологии трубки. [ 4 ] Кроме того, слоистая структура BN гораздо более термически и химически стабильна, чем графитоуглеродная структура. [ 5 ] [ 6 ] БННТ обладают уникальными физическими и химическими свойствами по сравнению с углеродными нанотрубками (УНТ), что обеспечивает очень широкий спектр коммерческих и научных применений. [ 7 ] Хотя БННТ и УНТ имеют схожие характеристики прочности на разрыв: они примерно в 100 раз прочнее стали и в 50 раз прочнее углеродного волокна промышленного класса. [ 8 ] БННТ могут выдерживать высокие температуры до 900 °C. [ 9 ] в отличие от УНТ, которые остаются стабильными до температуры 400 °C, [ 10 ] а также способны поглощать радиацию. [ 11 ] БННТС обладают физико-химическими свойствами, включая высокую гидрофобность и значительную емкость хранения водорода, и они исследуются на предмет возможного медицинского и биомедицинского применения, включая доставку генов, доставку лекарств, нейтронозахватную терапию и, в более общем плане, в качестве биоматериалов. [ 12 ] БННТ также превосходят УНТ в том, как они связываются с полимерами, что дает начало множеству новых применений и композиционных материалов. [ 11 ]
Синтез и производство
[ редактировать ]Все хорошо зарекомендовавшие себя методы выращивания углеродных нанотрубок, такие как дуговой разряд, [ 3 ] [ 14 ] лазерная абляция [ 15 ] [ 16 ] и химическое осаждение из паровой фазы, [ 17 ] используются для массового производства нанотрубок BN в масштабе десятков граммов. [ 13 ]
Нанотрубки BN также можно получить путем измельчения в шаровой мельнице аморфного бора, смешанного с катализатором (железным порошком), в NH 3 атмосфере . Последующий отжиг при ~1100 °C в токе азота переводит большую часть продукта в BN. [ 18 ] [ 19 ] При шаровом измельчении повторяющиеся удары и трение вызывают механическую деформацию и увеличение плотности дефектов в частицах бора. [ 20 ] Эта механическая активация усиливает диффузию азота . в частицы бора на стадии отжига, способствуя образованию БННТ [ 21 ] Длительное время измельчения способствует получению высокого выхода БННТ за счет усиления реакции между бором и NH 3 , что приводит к образованию большего количества центров зародышеобразования , что, в свою очередь, способствует производству БННТ. [ 22 ] Этот метод относительно дешевле, но получаемые БННТ содержат значительное количество примесей . [ 23 ] Метод высокой температуры и высокого давления также подходит для синтеза нанотрубок BN. [ 24 ]
Маршрут производства БННТ был серьезной проблемой из-за низкого выхода и низкого качества по сравнению с УНТ, что ограничивало его практическое использование. Однако в последнее время были достигнуты большие успехи в синтезе БННТ. [ когда? ] лет, открывая доступ к этому материалу и открывая путь для разработки многообещающих приложений. [ 8 ] Недавно [ когда? ] Значительный прогресс был достигнут Австралийским университетом Дикина благодаря «новому и масштабируемому» производственному процессу, который позволит производить БННТ в больших количествах впервые с тех пор, как этот материал был впервые обнаружен два десятилетия назад. [ 25 ] Компания PPK Group (ASX:PPK), зарегистрированная на австралийской бирже ASX, в ноябре 2018 года подписала с Дикином соглашение о совместном предприятии с целью создания BNNT Technology Limited с целью производства нанотрубок из нитрида бора (BNNT) на коммерческой основе. [ 26 ] Это сотрудничество поддерживается инвестициями правительства Австралии в BNNT Technology Limited. [ 27 ] и может значительно увеличить мировые поставки БННТ, открывая новый спектр приложений, материалов, композитов и технологий.
По состоянию на март 2022 года компания PPK сообщает, что производство БННТ, как ожидается, увеличится на 150% с нынешних 4 кг в неделю до 10 кг в неделю после установки двух новых модулей с шестью печами. https://www.ppkgroup.com.au/site/PDF/92f2a2a3-5f72-430e-bec6-9bb89993e4c8/ExpansionofBNNTTLsproductionfacilities
Свойства и потенциальное применение
[ редактировать ]Электрические и автоэмиссионные свойства нанотрубок BN можно регулировать путем легирования атомами золота путем распыления золота на нанотрубки. [ 18 ] [ 28 ] Легирование редкоземельными атомами европия превращает нанотрубку BN в люминофорный материал, излучающий видимый свет при электронном возбуждении. [ 19 ] Квантовые точки, образованные из частиц золота размером 3 нм, расположенных поперек нанотрубок, проявляют свойства полевых транзисторов при комнатной температуре. [ 29 ]
Как и волокна BN, нанотрубки из нитрида бора перспективны для аэрокосмических применений, где интеграция бора и, в частности, легкого изотопа бора ( 10 Б) в конструкционные материалы улучшает как их прочностные, так и радиационно-защитные свойства; улучшение связано с сильным поглощением нейтронов 10 Б. Такие 10 Материалы BN имеют особую теоретическую ценность в качестве композиционных конструкционных материалов в будущих межпланетных космических кораблях с экипажем, где ожидается, что защита от поглощения нейтронов расщепления космических лучей будет особым преимуществом легких строительных материалов. [ 30 ]
Благодаря стабильности нанотрубок из нитрида бора как в океанических, так и в атмосферных условиях до 800°C, они используются в высокотемпературных приложениях, таких как системы тепловой защиты. [ 31 ] [ 32 ] Мат БНТТ защищает большие летательные аппараты от сильного аэротермического потока во время входа в атмосферу , снижения и приземления. [ 33 ] БНТТ также полезны для турбин и двигателей , работающих в условиях высоких температур. [ 34 ]
Токсикологический [ 35 ] исследования БННТ in vivo и in vitro показали низкую токсичность. [ 36 ] и в целом повышенная химическая инерция, способствующая его биосовместимости. Хотя это и не является явно токсичным, источником токсичности, по-видимому, является форма и количество присутствующих BNNT/примесей. Это было подтверждено исследованием, которое показало с увеличением чистоты БННТ незначительное увеличение токсичности. [ 37 ] Их использование в биомедицинской области предлагалось как в качестве наноносителей , так и в качестве нанопреобразователей . [ 38 ] Нанотрубки BN также показали потенциал в некоторых методах лечения рака. [ 39 ] [ нужны разъяснения ]
Высокая жесткость и превосходная химическая стабильность делают БННТ идеальным материалом для армирования полимеров, керамики и металлов. Например, были успешно разработаны композиты BNNT/эпоксидная бумага на основе бумажной пленки и композиты бумажной пленки, модифицированной полиуретаном. 1,16 Эти композиционные материалы имеют модуль Юнга, в два раза превышающий значение для чистой эпоксидной смолы и в 20 раз превышающее значение для непропитанной клейкой бумаги. БННТ также являются одним из наиболее перспективных классов материалов для армирования конструкций на основе алюминия. 17 Низкая реакционная способность БННТ облегчает интеграцию этого материала в алюминиевую матрицу, где УНТ разрушаются из-за реакции между углеродом и алюминием, которая образует нежелательную фазу Al 4 C 3 на границе раздела. БННТ также имеют гораздо более высокую температуру окисления (~ 950 ° C), чем температура плавления алюминия (660 ° C), что обеспечивает гомогенное диспергирование БННТ непосредственно в расплаве алюминия. Поскольку БННТ сохраняют свои механические свойства при высоких температурах, имея при этом очень низкую плотность, возможна разработка новых термостойких легких ММК. БННТ также обладают хорошей теплопроводностью. Это делает их полезными для приложений в наноэлектронике, где рассеивание тепла имеет решающее значение. Это также делает БННТ многофункциональными, поскольку они не только улучшают жесткость композитов, но также обеспечивают высокую теплопроводность и высокую прозрачность. Сочетание высокой жесткости и высокой прозрачности уже используется при разработке стеклокомпозитов, армированных БННТ. 18 Другие внутренние свойства БННТ, такие как хорошая способность экранировать радиацию, 19 высокое электрическое сопротивление и превосходные пьезоэлектрические свойства, вероятно, будут способствовать интересу к их интеграции в новые приложения. [ 40 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гольберг, Дмитрий; Коста, Педро MFJ; Митоме, Масанори; Бандо, Ёсио (2009). «Свойства и конструкция отдельных неорганических нанотрубок в просвечивающем электронном микроскопе». Журнал химии материалов . 19 (7): 909. дои : 10.1039/B814607A .
- ^ Рубио, А.; и др. (1994). «Теория графитовых нанотрубок нитрида бора» . Физический обзор B . 49 (7): 5081–5084. Бибкод : 1994PhRvB..49.5081R . дои : 10.1103/PhysRevB.49.5081 . ПМИД 10011453 .
- ^ Jump up to: а б Чопра, штат Нью-Йорк; и др. (1995). «Нанотрубки нитрида бора». Наука . 269 (5226): 966–7. Бибкод : 1995Sci...269..966C . дои : 10.1126/science.269.5226.966 . ПМИД 17807732 . S2CID 28988094 .
- ^ Блазе, X.; и др. (1994). «Стабильность и постоянство запрещенной зоны нанотрубок нитрида бора». Письма по еврофизике (EPL) . 28 (5): 335. Бибкод : 1994EL.....28..335B . дои : 10.1209/0295-5075/28/5/007 . S2CID 120010610 .
- ^ Вэй-Цян Хань; и др. (2002). «Превращение нанотрубок B x C y N z в чистые нанотрубки BN» (PDF) . Письма по прикладной физике . 81 (6): 1110. Бибкод : 2002ApPhL..81.1110H . дои : 10.1063/1.1498494 .
- ^ Гольберг, Д.; Бандо, Ю.; Тан, CC и Чжи, CY (2007). «Нанотрубки нитрида бора». Продвинутые материалы . 19 (18): 2413. Бибкод : 2007АдМ....19.2413Г . дои : 10.1002/adma.200700179 . S2CID 100255406 .
- ^ Ким, Джун Хи; Фам, Тханг Вьет; Хван, Джэ Хун; Ким, Чхоль Санг; Ким, Мён Чон (28 июня 2018 г.). «Нанотрубки нитрида бора: синтез и применение» . Нано-конвергенция . 5 (1): 17. Бибкод : 2018NanoC...5...17K . дои : 10.1186/s40580-018-0149-y . ISSN 2196-5404 . ПМК 6021457 . ПМИД 30046512 .
- ^ Jump up to: а б Ким, Джун Хи; Фам, Тханг Вьет; Хван, Джэ Хун; Ким, Чхоль Санг; Ким, Мён Чон (28 июня 2018 г.). «Нанотрубки нитрида бора: синтез и применение» . Нано-конвергенция . 5 (1): 17. Бибкод : 2018NanoC...5...17K . дои : 10.1186/s40580-018-0149-y . ISSN 2196-5404 . ПМК 6021457 . ПМИД 30046512 .
- ^ «Шаг к созданию самолетов, летающих с гиперзвуковой скоростью: время полета по воздуху может быть значительно сокращено за счет редкого материала» . ScienceDaily . Проверено 20 марта 2020 г.
- ^ Махаджан, Амит; Кингон, Ангус; Куковец, Акос; Конья, Золтан; Виларинью, Паула М. (1 января 2013 г.). «Исследования термического разложения многостенных углеродных нанотрубок в различных атмосферах» . Материалы писем . 90 : 165–168. Бибкод : 2013MatL...90..165M . дои : 10.1016/j.matlet.2012.08.120 . ISSN 0167-577X .
- ^ Jump up to: а б Эльзевир, Имя |. «CNT — это старье. Освободите место для BNNT — он прочнее и выдерживает жару!» . Chemical-materials.elsevier.com . Архивировано из оригинала 21 октября 2020 г. Проверено 20 марта 2020 г.
- ^ Шен, Озлем; Эманет, Мелис; Чулха, Мустафа (01 января 2016 г.), Чиофани, Джанни; Маттоли, Вирджилио (ред.), «Глава 3. Оценка биосовместимости нанотрубок из нитрида бора» , Нанотрубки из нитрида бора в наномедицине , микро- и нанотехнологиях, William Andrew Publishing, стр. 41–58, ISBN 978-0-323-38945-7 , получено 20 марта 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д Ким, Гын Су; Якубинек, Майкл Б.; Мартинес-Руби, Яденка; Ашрафи, Бехнам; Гуань, Цзинвэнь; О'Нил, К.; Планкетт, Марк; Хрдина, Эми; Линь, Шуцюн; Деномме, Стефан; Кингстон, Кристофер; Симар, Бенуа (2015). «Полимерные нанокомпозиты из отдельно стоящих макроскопических сборок нанотрубок нитрида бора». РСК Адв . 5 (51): 41186. Бибкод : 2015RSCAd...541186K . дои : 10.1039/C5RA02988K .
- ^ Камингс, Дж. (2000). «Массовое производство двустенных нанотрубок и нанококонов из нитрида бора». Письма по химической физике . 316 (3–4): 211. Бибкод : 2000CPL...316..211C . дои : 10.1016/S0009-2614(99)01277-4 .
- ^ Гольберг, Д.; и др. (1996). «Нанотрубки в лазере нитрида бора, нагретые при высоком давлении». Письма по прикладной физике . 69 (14): 2045. Бибкод : 1996ApPhL..69.2045G . дои : 10.1063/1.116874 .
- ^ Ю, ДП; и др. (1998). «Синтез нанотрубок нитрида бора методом эксимер-лазерной абляции при высокой температуре». Письма по прикладной физике . 72 (16): 1966. Бибкод : 1998ApPhL..72.1966Y . дои : 10.1063/1.121236 .
- ^ Чжи, Ц.; и др. (2005). «Эффективный предшественник для высокопроизводительного синтеза чистых нанотрубок BN». Твердотельные коммуникации . 135 (1–2): 67. Бибкод : 2005SSCom.135...67Z . дои : 10.1016/j.ssc.2005.03.062 .
- ^ Jump up to: а б Чен, Х.; и др. (2008). «Нанотрубки нитрида бора, декорированные нано-золотом: модификация проводимости и улучшение автоэмиссии» (PDF) . Письма по прикладной физике . 92 (24): 243105. Бибкод : 2008ApPhL..92x3105C . дои : 10.1063/1.2943653 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Чен, Х.; и др. (2007). «Нанотрубки нитрида бора, легированные европейцем, как источник видимого света нанометрового размера» (PDF) . Продвинутые материалы . 19 (14): 1845. Бибкод : 2007AdM....19.1845C . дои : 10.1002/adma.200700493 . S2CID 94466192 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2011 г.
- ^ Хашми, Салим; Баталья, Жильмар; Тайн, Честер (2014). «Обзор процессов производства инженерных наноматериалов и связанных с ними воздействий» . Комплексная обработка материалов . 8 : 103–125. дои : 10.1016/B978-0-08-096532-1.00811-6 . ISBN 978-0-08-096533-8 . Проверено 6 июня 2024 г.
- ^ Ким, Джэу; Ли, Сол; Хм, Янг (2011). «Синтез и рост нанотрубок нитрида бора методом шарового помола-отжига» . Акта Материалия . 59 (7): 2807–2813. Бибкод : 2011AcMat..59.2807K . дои : 10.1016/j.actamat.2011.01.019 . Проверено 6 июня 2024 г.
- ^ Дж. Х., Ким; ТВ, Фам; Дж. Х., Хваг (2018). «Нанотрубки нитрида бора: синтез и применение» . Нано Конверг . 5 (1): 17. Бибкод : 2018NanoC...5...17K . дои : 10.1186/s40580-018-0149-y . ПМК 6021457 . ПМИД 30046512 .
- ^ Росс, Лиза. «Нанотрубки нитрида бора и их применение» . Точная керамика . Проверено 6 июня 2024 г.
- ^ Смит, Майкл В.; Джордан, Кевин С; Пак, Чхоль; Ким, Джэ Ву; Лиллехей, Питер Т; Крукс, Рой; Харрисон, Джойселин С. (16 декабря 2009 г.). «Очень длинные одностенные и малостенные нанотрубки из нитрида бора, полученные методом пара/конденсатора под давлением» . Нанотехнологии . 20 (50): 505604. Бибкод : 2009Nanot..20X5604S . дои : 10.1088/0957-4484/20/50/505604 . hdl : 2060/20090042520 . ПМИД 19907071 . S2CID 25104963 .
- ^ Жасмина (05.03.2017). «Исследователи Дикина совершили первый в мире прорыв в области BNNT» . Австралийское производство . Проверено 20 марта 2020 г.
- ^ Огг, Мэтт. «Быстро развивающаяся компания PPK выводит высокотехнологичные материалы на новый уровень вместе с Университетом Дикина» . Деловые новости Австралии . Проверено 22 марта 2020 г.
- ^ Смон, Бернадетт (07 сентября 2018 г.). «Поддержка передовых производителей на 19 миллионов долларов» . www.minister.industry.gov.au . Проверено 23 марта 2020 г.
- ^ Чен, Ю.; и др. (2008). «Нанотрубки BN, легированные золотом, с настраиваемой проводимостью». Нано . 2 (6): 367. дои : 10.1142/S1793292007000702 .
- ^ Ли, Швейцария; Цинь, С.; Савайкар, Массачусетс; Ван, Дж.; Хао, Б.; Чжан, Д.; Баньяи, Д.; Ящак, Дж. А.; Кларк, К.В.; Идробо, JC; Ли, АП; Яп, Ю.К. (2013). «Туннельное поведение нанотрубок нитрида бора, функционализированных золотыми квантовыми точками, при комнатной температуре». Продвинутые материалы . 25 (33): 4544–8. Бибкод : 2013AdM....25.4544L . дои : 10.1002/adma.201301339 . ПМИД 23775671 . S2CID 12049641 .
- ^ Ю, Дж.; и др. (2006). «Изотопно-обогащенные нанотрубки 10BN» (PDF) . Продвинутые материалы . 18 (16): 2157. Бибкод : 2006AdM....18.2157Y . дои : 10.1002/adma.200600231 . S2CID 135710601 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г.
- ^ Росс, Лиза. «Современное направление исследований нанотрубок нитрида бора» . Точная керамика . Проверено 9 июня 2024 г.
- ^ Чен, Сяомин; Кэ, Чанхун (2016). «Глава 12 – Структурные и физические свойства нанотрубок нитрида бора и их применение в нанокомпозитах» . В Чиофани, Джанни (ред.). Нанотрубки нитрида бора в наномедицине . Издательство Уильяма Эндрю. стр. 183–199. ISBN 9780323389457 . Проверено 9 июня 2024 г.
- ^ Патент США 10934028 , Хокер Джон-Эндрю и Парк Чол, «Пассивация и изоляционный слой на месте для гибкой системы тепловой защиты (FTPS)».
- ^ Корселли, Эндрю (3 марта 2023 г.). «Испытание тепловых пределов БННТ» . Технические сводки . Проверено 9 июня 2024 г.
- ^ Кодали, Вамси; Робертс, Дженни Р.; Глассфорд, Эрик; Гилл, Райан; Друг, Шерри; Данн, Кевин Л.; Эрдели, Аарон (31 октября 2022 г.). «Понимание токсичности, связанной с нанотрубками нитрида бора: обзор исследований токсичности, оценка воздействия на производственных объектах и перекрестное чтение» . Журнал исследования материалов . 37 (24): 4620–4638. Бибкод : 2022JMatR..37.4620K . дои : 10.1557/s43578-022-00796-8 . ISSN 2044-5326 . ПМЦ 10174278 . ПМИД 37193295 . S2CID 253261443 .
- ^ Кодали, Вамси К.; Робертс, Дженни Р.; Шуб, Мохаммед; Вольфарт, Майкл Г.; Бишоп, Линдси; Глаз, Трейси; Баргер, Марк; Роуч, Кэтрин А.; Друг, Шерри; Швеглер-Берри, Дайан; Чен, Бин Т.; Стефаньяк, Александр; Джордан, Кевин С.; Уитни, Рой Р.; Портер, Дейл В. (14 сентября 2017 г.). «Острая токсичность in vitro и in vivo смеси нанотрубок из нитрида бора коммерческого качества» . Нанотоксикология . 11 (8): 1040–1058. дои : 10.1080/17435390.2017.1390177 . ISSN 1743-5390 . ПМИД 29094619 . S2CID 3767052 .
- ^ Кодали, Вамси; Ким, Гын Су; Робертс, Дженни Р.; Бауэрс, Лорен; Вольфарт, Майкл Г.; Хубчак, Джон; Синь, Син; Глаз, Трейси; Друг, Шерри; Стефаньяк, Александр Б.; Леонард, Стивен С.; Якубинек, Майкл; Эрдели, Аарон (14 ноября 2022 г.). «Влияние примесей производственного процесса на профиль токсичности нанотрубок нитрида бора» . Маленький . 18 (52): 2203259. doi : 10.1002/smll.202203259 . ISSN 1613-6810 . ПМЦ 9975644 . ПМИД 36373669 . S2CID 253533121 .
- ^ Чиофани, Джанни; Данти, Серена; Генчи, Джада Грациана; Маццолаи, Барбара; Маттоли, Виргилио (27 мая 2013 г.). «Нанотрубки из нитрида бора: биосовместимость и потенциальное распространение в наномедицине». Маленький . 9 (9–10): 1672–85. дои : 10.1002/smll.201201315 . ПМИД 23423826 .
- ^ Чжун, Дж; Дай, LC (2012). «Нацеливание липосомальной наномедицины на терапию рака» . Технологии в исследовании и лечении рака . 11 (5): 475–481. дои : 10.7785/tcrt.2012.500259 . ПМИД 22475065 .
- ^ «Нанотрубки нитрида бора: свойства, синтез и применение» . Сигма-Олдрич . Проверено 20 марта 2020 г.