Bornitrid-Nanoröhren (BNNT) zählen zu den spannendsten neuen Materialien der Nanotechnologie. Wie der Name schon sagt, haben BNNT die gleiche zylindrische Struktur wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT), unterscheiden sich jedoch in ihrer atomaren Anordnung und weisen daher unterschiedliche Eigenschaften auf.
Mitte der 1990er Jahre begannen Forscher mit der Entdeckung von BNNT. Seitdem sind sie aufgrund ihrer faszinierenden mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften schnell in das Interesse von Spezialisten in vielen Bereichen gerückt.
Die Struktur, Synthese, Eigenschaften und das breite Anwendungsspektrum von BNNTs werden erörtert und liefern Belege für ihr Potenzial als vielseitiges Nanomaterial für die Zukunft.
Strukturelle und physikalische Eigenschaften von BNNT
Nahtlose Rohre aus hexagonalen Bornitridplatten (HBN) mit radialem Querschnitt werden zu zylindrischen Nanostrukturen gerollt und als BNNTs bezeichnet.
Sie weisen eine Struktur auf, die mit dem Graphitgitter zu tun hat, in dem sich Bor- und Stickstoffatome abwechselnd aneinanderreihen. Es wurde festgestellt, dass solche BN-Nanoröhren aufgrund der starken BN-Bindungen stabil sind.
Im Gegensatz zu Kohlenstoffnanoröhren können die Kohlenstoffanaloga von BNNTs keinen Strom leiten, da sie eine große Bandlücke von etwa 5,5 eV besitzen, die nicht mit dem chiralen Winkel oder Durchmesser der Röhre variiert.
Bei der Darstellung von BNNTs könnte man sagen, dass es Widersprüche hinsichtlich der von den Strukturen gezeigten Eigenschaften gibt.
Stabilität bei erhöhter Temperatur:
BNNT vertragen in der Luft Temperaturen von etwa 900 °C, während Kohlenstoffnanoröhren bei etwa 600 °C zu oxidieren beginnen. Das macht BNNTs zu guten Kandidaten für Hochtemperaturbedingungen.
Hohe mechanische Festigkeit:
BNNTs weisen im Vergleich zu Kohlenstoffnanoröhren eine außergewöhnliche Zugfestigkeit mit Elastizitätsmodulwerten auf (ca. 1,3 TPa). Seine piezoelektrischen Effekte verbessern seine mechanischen Eigenschaften und ermöglichen so den Einsatz in Sensoren und Aktoren im Nanomaßstab.
Chemische und thermische Stabilität:
Die starken BN-Bindungen in BNNTs sorgen für eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation und chemischen Verschleiß. Sie zeigen auch in anspruchsvollen Umgebungen, einschließlich starker Basen und Säuren, eine hohe Widerstandsfähigkeit.
Biokompatibilität:
Es wird beobachtet, dass die geringe Toxizität und Biokompatibilität von BNNTs eine Verwendung in der Biomedizin ermöglichen, die auf den Arzneimitteltransport oder Biosensoren, Implantate und Mechanismen abzielt.
Elektrische Isolierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit:
BNNTs gelten als gute elektrische Isolatoren und besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Dadurch können sie effektiv für das Wärmemanagement in verschiedenen elektronischen Systemen eingesetzt werden.
Synthese von BNNTs
Die Synthese von BNNTs wurde mit verschiedenen Methoden, wie der Gasflusssynthese, versucht, ist jedoch recht schwierig zu skalieren. Einige der gängigen Methoden werden im Folgenden beschrieben.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
Bei diesem Verfahren wird eine Borquelle wie Boroxid oder Borhalogenide zusammen mit einer Stickstoffquelle erhitzt und zersetzt, um die gewünschte Ablagerung zu bilden. Mittels CVD können BNNTs mit einstellbarer Größe und Form und hohem Aspektverhältnis hergestellt werden.
Laserablation:
Ein Borpulver wird in einem mit Stickstoff gefüllten Gehäuse mit einem Hochleistungslaser verbrannt. Der Stickstoff liefert dann das fehlende Element zur Herstellung von BNNTs. Obwohl diese Technik effektiv zur Herstellung von BNNTs mit hoher Kristallqualität geeignet ist, ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis für die Massenproduktion ungünstig.
Kugelmahlen und Glühen:
Dies ist ein zweistufiges Verfahren: Zunächst wird ein Röhrchen mit Borpulver in einer Kugelmühle gemahlen, um feine Borpulverkörnchen zu erhalten. Anschließend wird das Borpulver in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, um BNNTs zu synthetisieren. Dieses Verfahren ist jedoch kostengünstiger, die entstehenden Röhrchen sind kürzer, gleichmäßiger in der Länge und weniger zahlreich.
Plasma-Lichtbogenentladung:
Bei dieser Technik wird zwischen zwei Borelektroden in einer Stickstoffatmosphäre ein Plasmalichtbogen gebildet. Die für den Plasmalichtbogen charakteristischen hohen Temperaturen sind für das Wachstum der BNNTs verantwortlich. Studien deuten darauf hin, dass Dieses Verfahren ist effizient bei der Herstellung großer Mengen, aber die Qualität kann unterschiedlich sein.
Anwendungen von Bornitrid-Nanoröhren
Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eignen sich BNNTs für zahlreiche Anwendungen, von der Elektrik und Wärmetechnik über die Biomedizin bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik.
1. Elektronik und Optoelektronik
BNNTs sind innovative Materialien, die in der Elektronik hohe Sicherheit bieten. Sie bieten hervorragende elektrische Isolierung und hohe Wärmeableitung. Hochfrequenztransistoren erreichen durch den Einsatz von BNNTs eine verbesserte Leistung und tragen zur Reduzierung von elektrischem Rauschen bei. Diese Materialien eignen sich auch für die Hochleistungselektronik, da sie sehr hohen Temperaturen standhalten, ohne ihre strukturelle Integrität zu verlieren.
In der Optoelektronik werden BNNTs eingesetzt, um eine optimale Oberfläche für die Architektur organischer Leuchtdioden (OLEDs) zu schaffen, da ihr Substrat optisch klar und langlebig ist. Sie verbessern zudem die Leistung von Fotodetektoren durch verbesserten Ladungstransport und Wärmeableitung.
2. Wärmemanagement
Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und thermischen Stabilität sind BNNTs auch dort nützlich, wo Wärmemanagement in elektronischen Geräten erforderlich ist. Da die aktuelle Generation elektronischer Geräte kleiner und leistungsstärker wird, steigt der Bedarf an effektiver Wärmeableitung, um Überhitzung zu vermeiden. BNNTs können als thermische Schnittstellenmaterialien eingesetzt werden, die Wärmeübertragung ermöglichen und gleichzeitig elektrische Isolierung gewährleisten.
3. Verbundwerkstoffe und Strukturmaterialien: BNNTs sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften potenziell die besten Verstärkungselemente in Verbundwerkstoffen. Durch die Einbindung von BNNTs in Polymere, Metalle oder Keramiken können Forscher leichte Verbundwerkstoffe herstellen, die stärker, thermisch stabiler und langlebiger sind als herkömmliche Verbundwerkstoffe.
Diese Verbundwerkstoffe könnten in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilsektor Anwendung finden, wo das Gewicht der Komponenten und die Leistung der Materialien von größter Bedeutung sind.
So erhöht beispielsweise die Einbindung von BNNTs in Polymermatrizen deren mechanische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Strahlungsresistenz deutlich. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, selbst den extrem widrigen Bedingungen im Weltraum standzuhalten.
4. Biomedizinische Anwendungen
Die Biokompatibilität von BNNTs ermöglicht ihren Einsatz in vielen biomedizinischen Bereichen. Aufgrund ihrer großen Oberfläche eignen sich BNNTs auch als Wirkstoffträger. BNNTs können mit Biomolekülen beschichtet werden, um sie erfolgreich in lebende Systeme zu integrieren.
Darüber hinaus dienen BNNTs im Tissue Engineering als Gerüst für Zellwachstum und Geweberekonstruktion. Sie verfügen über eine hohe Festigkeit und Biokompatibilität, was die Wundheilung unterstützt.
Aufgrund ihrer piezoelektrischen Natur kommen BNNTs unter anderem in Biosensoren und medizinischen Implantaten zum Einsatz. Bei Einwirkung einer äußeren Kraft erzeugen sie elektrische Impulse, die auch Veränderungen im Körper erkennen können.
5. Speicherung und Produktion von Energie
Die Untersuchungen zu BNNTs umfassen auch deren Verwendung als Materialien für Energiespeicher wie Batterien oder Ultrakondensatoren. Die große Oberfläche des aus BNNTs synthetisierten Elektrodenmaterials und seine Stabilität tragen dazu bei, die Leistung hinsichtlich Energiespeicherkapazität und Lebensdauer der Energiespeicher zu verbessern.
Tragbare Geräte versorgen eine der Anwendungen von BNNTs mit Strom: die Piezoelektrizität, bei der die Materialien mechanische Energie in Form von Vibrationen oder Körperbewegungen in elektrische Energie umwandeln können.
6. Strahlenschutz
BNNTs bieten zudem hervorragenden Strahlenschutz, insbesondere vor Neutronenstrahlung. Dies eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten in Bereichen wie Weltraummissionen, Kernreaktoren und Krebsbehandlungsgeräten. Der Einsatz von BNNTs in Verbundwerkstoffen kann die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen schädliche Strahlung erhöhen und gleichzeitig die Materialkonstruktion optimieren.
7. Sensorische Mechanismen und Transduktionselemente
Die piezoelektrischen und halbleitenden Eigenschaften von BNNTs machen sie für die Herstellung von Sensoren und Aktoren im Nanomaßstab geeignet. Solche BNNT-Verbundwerkstoffe können Druck, Dehnung oder chemische Umgebungen bis zu einem bestimmten Grad verändern, wobei die hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktion durch Hochleistungs-Dehnungssensoren gewährleistet werden.
Diese Eigenschaften können beim Bau dünner, tragbarer Sensoren zur Erfassung physiologischer Indizes ausgenutzt werden.
Zusammenfassung
Bornitrid-Nanoröhren sind eine Klasse nanoskaliger Materialien mit einer Reihe interessanter Eigenschaften. Ihre einzigartigen Eigenschaften, darunter eine sehr hohe thermische Stabilität, hohe mechanische Eigenschaften (die Biokompatibilität ermöglichen) und Wärmedämmung, machen sie zu einem Mehrzweckmaterial für zahlreiche Bereiche wie Elektronik, Biomedizin, Luft- und Raumfahrt usw.
Aus der Perspektive der Zukunft kann man sagen, dass die Erwartungen hinsichtlich BNNTs optimistisch sind, da die neuen Wege ihrer Synthese mit dem weiteren Verständnis dieser Materialien integriert werden können.
Die Fortschritte in der Nanotechnologie und der Bedarf an Hochleistungsmaterialien werden höchstwahrscheinlich zu noch mehr Forschung und Entwicklung im Bereich der BNNTs führen.