Нанотрубки нитрида бора (BNNT) являются одним из самых интересных новых материалов, которые может предложить нанотехнология. Как следует из названия, BNNT имеют ту же цилиндрическую структуру, что и углеродные нанотрубки (CNT), но они атомно отличаются по своему расположению, поэтому демонстрируют другие характеристики.
В середине 1990-х годов исследователи начали идентифицировать BNNT. С тех пор они быстро стали представлять интерес для специалистов во многих областях из-за захватывающих механических, термических и электрических свойств.
Будут обсуждаться структура, синтез, свойства и широкий спектр применения BNNT, что позволит получить доказательства их возможностей как универсального наноматериала будущего.
Структурные и физические свойства BNNT
Бесшовные трубки из радиальных гексагональных листов нитрида бора (HBN) сворачиваются в цилиндрические наноструктуры, известные как BNNT.
Они включают в себя структуру, которая имеет некоторое отношение к решетке графита, где атомы бора и азота поочередно следуют друг за другом. Было обнаружено, что такие нанотрубки BN стабильны в результате наличия сильных связей BN.
В отличие от углеродных нанотрубок, углеродные аналоги BNNT не могут проводить электричество, поскольку обладают широкой запрещенной зоной в диапазоне около 5,5 эВ, которая не меняется в зависимости от угла хиральности или диаметра трубки.
Рассматривая BNNT, можно сказать, что существуют противоречия с точки зрения свойств, проявляемых структурами.
Стабильность при повышенной температуре:
BNNT может выдерживать температуру около 900 °C на воздухе, тогда как углеродные нанотрубки начинают окисляться при температуре около 600 °C. Это делает BNNT хорошими кандидатами для высокотемпературных условий.
Высокая механическая прочность:
BNNT демонстрируют исключительную прочность на разрыв со значениями модуля Юнга по сравнению с углеродными нанотрубками (около 1,3 ТПа). Его пьезоэлектрические эффекты улучшают его механические свойства, что позволяет использовать его в нанодатчиках и приводах.
Химическая и термическая стабильность:
Наличие прочных связей BN в BNNT приводит к высокому уровню устойчивости к окислению и химическому износу. Он демонстрирует выносливость при использовании в сложных условиях, включая сильные основания и кислоты.
Биосовместимость:
Отмечено, что низкая токсичность и биосовместимость БННТ позволяют использовать их в биомедицине для транспортировки лекарственных препаратов, а также в качестве биосенсоров, интраабальных имплантатов и механизмов.
Электроизоляция с высокой теплопроводностью:
Подобно термическим свойствам, BNNT считаются хорошими электроизоляторами и обладают высокой теплопроводностью. Это позволяет эффективно использовать BNNT для теплового управления в формулах различных электронных систем.
Синтез БННТ
Синтез BNNT был предпринят с использованием нескольких методов, таких как метод синтеза газового потока, но масштабировать такие методы довольно сложно. Некоторые из распространенных методов описаны ниже.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):
В этом процессе источник бора, такой как оксид бора или галогениды бора, вместе с источником азота нагревается и разлагается для формирования требуемого депозита. Используя CVD, можно изготавливать BNNT настраиваемого размера и формы с высоким соотношением сторон.
Лазерная абляция:
Порошкообразная мишень бора потребляется с помощью мощного лазера в заполненном азотом корпусе. Затем азот поставляет недостающий элемент для создания BNNT. Хотя эта технология эффективна для изготовления BNNT высокого кристаллического качества, ее соотношение затрат и выгод не благоприятствует массовому производству.
Шаровая мельница и отжиг:
Это двухэтапный метод, в котором сначала трубка борного порошка измельчается в шаровой мельнице для получения мелких гранул борного порошка, а затем борный порошок нагревается в азотной среде для синтеза BNNT. Однако этот метод менее затратен, полученные трубки короче, более равномерны по длине и менее многочисленны.
Плазменный дуговой разряд:
В этой технике плазменная дуга формируется между двумя борными электродами в атмосфере азота. Высокие температуры, характерные для плазменной дуги, отвечают за рост BNNT. Исследования показывают, что эта процедура эффективна при производстве больших объемов, но качество может отличаться.
Применение нанотрубок нитрида бора
Благодаря своим исключительным свойствам БННТ находят широкое применение в электротехнике, теплотехнике, биомедицине и аэрокосмической технике.
1. Электроника и оптоэлектроника
BNNT — это инновационные материалы, которые обеспечивают высокую надежность в электронике. Эти материалы обеспечивают отличную электроизоляцию с высокими характеристиками рассеивания тепла. Высокочастотные транзисторы достигают улучшенных характеристик за счет добавления BNNT, которые помогают смягчить электрические шумы. Эти материалы также полезны в электронике высокой мощности, поскольку они могут выдерживать очень высокие температуры, не теряя своей структурной целостности.
В оптоэлектронике BNNT используются для обеспечения оптимальной поверхности для архитектуры органических светодиодов (OLED) благодаря их подложке, которая является как оптически прозрачной, так и прочной. Они также улучшают производительность фотодетекторов, обеспечивая лучший перенос заряда и рассеивание тепла.
2. Терморегулирование
Благодаря высокой теплопроводности и высокой термической стабильности BNNT также полезны там, где необходимо терморегулирование в электронных устройствах. Поскольку нынешнее поколение электронных устройств становится меньше и мощнее, растет потребность в эффективном рассеивании тепла для предотвращения перегрева. BNNT могут использоваться в качестве материалов термоинтерфейса, позволяющих осуществлять теплопередачу и при этом обеспечивать электроизоляцию.
3. Композиты и конструкционные материалы BNNT потенциально являются лучшими армирующими элементами в композитных материалах благодаря своим исключительным механическим свойствам. Благодаря включению BNNT в полимеры, металлы или керамику исследователи могут производить легкие композитные материалы, которые прочнее, термостабильнее и долговечнее обычных композитов.
Эти композиты найдут применение в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где вес компонентов и эксплуатационные характеристики материалов имеют первостепенное значение.
Например, включение BNNT в полимерные матрицы значительно повышает механическую прочность, теплопроводность и радиационную стойкость матриц. Это качество позволяет им выдерживать даже крайне агрессивные условия, существующие в космосе.
4. Биомедицинские приложения
Биосовместимость BNNT позволяет использовать их во многих биомедицинских областях. BNNT также могут служить системами доставки лекарств из-за их большой площади поверхности для доставки. Биомолекулы могут использоваться для покрытия BNNT с целью успешного включения их в живые системы.
Кроме того, когда речь идет о тканевой инженерии, BNNT служат в качестве каркасов для роста клеток и реконструкции тканей. Они обладают большой прочностью и биосовместимостью, что способствует процессу заживления ран.
Биосенсоры и медицинские имплантаты являются одними из применений BNNT из-за их пьезоэлектрической природы. Они генерируют электрические импульсы при приложении внешней силы, что также может обнаруживать изменения внутри тела.
5. Хранение и производство энергии
Исследования BNNT также охватывают их использование в качестве материалов для устройств хранения энергии, таких как батареи или ультраконденсаторы. Большая площадь поверхности такого электродного материала, синтезированного из BNNT, и его стабильность помогают улучшить производительность с точки зрения емкости хранения энергии и жизненных циклов устройств хранения энергии.
Питание носимых устройств. Одним из применений БННТ является пьезоэлектрика, где материалы могут преобразовывать механическую энергию в таких формах, как вибрации или движения тела, в электрическую энергию.
6. Защита от радиации
BNNT также обладают превосходными свойствами радиационной защиты, особенно от нейтронного излучения. Это открывает их для использования в таких областях, как космические миссии, внутри ядерных реакторов и аппаратов для лечения рака. Использование BNNT в композитах может повысить устойчивость материала к вредным излучениям, одновременно нагружая конструкцию материала.
7. Сенсорные механизмы и элементы трансдукции
Пьезоэлектрические и полупроводниковые свойства BNNT делают их подходящими для создания нанодатчиков и приводов. Такие композитные материалы BNNT могут иметь давление, деформацию или химическую среду, измененную в определенной степени с большой чувствительностью и быстрым откликом, предлагаемыми высокопроизводительными датчиками деформации.
Эти характеристики могут быть использованы при создании тонких носимых датчиков с целью регистрации физиологических показателей.
Подведение итогов
Нанотрубки нитрида бора представляют собой класс наноматериалов, которые демонстрируют ряд интересных особенностей. Уникальные характеристики, включая очень высокую термическую стабильность, высокие механические свойства (обеспечивающие биосовместимость) и теплоизоляцию, позволяют им стать многоцелевым материалом для широкого спектра областей, таких как электроника, биомедицина, аэрокосмическая промышленность и т. д.
С точки зрения будущего можно сказать, что ожидания относительно БННТ оптимистичны, поскольку новые способы их синтеза могут быть интегрированы с дальнейшим пониманием этих материалов.
Достижения в области нанотехнологий в сочетании с потребностью в высокопроизводительных материалах, скорее всего, приведут к еще большему росту исследований и разработок в области БННТ.