Ống nano Bo Nitride (BNNT) là một trong những vật liệu mới thú vị nhất mà công nghệ nano mang lại. Đúng như tên gọi, BNNT có cấu trúc hình trụ giống như ống nano carbon (CNT), nhưng chúng khác nhau về mặt sắp xếp nguyên tử, do đó thể hiện các đặc tính khác nhau.
Vào giữa những năm 1990, các nhà nghiên cứu bắt đầu xác định BNNT. Kể từ đó, chúng nhanh chóng thu hút sự quan tâm của các chuyên gia trong nhiều lĩnh vực nhờ các đặc tính cơ học, nhiệt và điện hấp dẫn.
Cấu trúc, tổng hợp, tính chất và ứng dụng rộng rãi của BNNT sẽ được thảo luận, cung cấp bằng chứng về khả năng của chúng như một vật liệu nano đa năng trong tương lai.
Tính chất cấu trúc và vật lý của BNNT
Các ống liền mạch làm từ các tấm bo nitrua lục giác (HBN) có mặt cắt ngang xuyên tâm được cuộn thành các nanocấu trúc hình trụ và được gọi là BNNT.
Chúng kết hợp một cấu trúc có liên quan đến mạng lưới than chì, nơi các nguyên tử Bo và Nitơ lần lượt xuất hiện. Người ta đã phát hiện ra rằng các ống nano BN như vậy rất ổn định nhờ sự hiện diện của các liên kết BN mạnh.
Ngược lại với ống nano cacbon, các chất tương tự cacbon của BNNT không thể dẫn điện vì chúng có dải cấm rộng, dao động trong khoảng 5,5 eV, không thay đổi theo góc chiral hoặc đường kính của ống.
Khi trình bày BNNT, người ta có thể nói rằng có những mâu thuẫn về mặt tính chất được thể hiện bởi các cấu trúc.
Độ ổn định ở nhiệt độ cao:
BNNT có thể chịu được nhiệt độ khoảng 900 °C trong không khí, trong khi các ống nano carbon bắt đầu bị oxy hóa ở gần 600 °C. Điều này khiến BNNT trở thành ứng cử viên lý tưởng cho điều kiện nhiệt độ cao.
Độ bền cơ học cao:
BNNTs thể hiện độ bền kéo vượt trội với các giá trị mô đun Young so với các ống nano carbon (khoảng 1,3 TPa). Hiệu ứng áp điện của nó cải thiện các tính chất cơ học, do đó cho phép nó được sử dụng trong các cảm biến và bộ truyền động ở cấp độ nano.
Độ ổn định hóa học và nhiệt:
Sự hiện diện của các liên kết BN mạnh trong BNNT mang lại khả năng chống oxy hóa và mài mòn hóa học cao. Nó thể hiện độ bền khi sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, bao gồm cả các loại bazơ và axit mạnh.
Khả năng tương thích sinh học:
Người ta quan sát thấy rằng độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học của BNNT cho phép sử dụng trong y sinh học nhằm mục đích vận chuyển thuốc hoặc cảm biến sinh học, cấy ghép nội tạng và cơ chế.
Cách điện có độ dẫn nhiệt cao:
Tương tự như đặc tính nhiệt, BNNT được coi là chất cách điện tốt và có độ dẫn nhiệt cao. Điều này cho phép BNNT được sử dụng hiệu quả để quản lý nhiệt trong các công thức của các hệ thống điện tử khác nhau.
Tổng hợp BNNTs
Tổng hợp BNNT đã được thử nghiệm bằng nhiều phương pháp, chẳng hạn như kỹ thuật tổng hợp dòng khí, nhưng việc mở rộng quy mô các phương pháp này khá khó khăn. Một số phương pháp phổ biến được trình bày dưới đây.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD):
Trong quy trình này, nguồn boron như oxit boron hoặc bo halide boron, cùng với nguồn nitơ, được nung nóng và phân hủy để tạo thành lớp lắng đọng cần thiết. Sử dụng CVD, có thể chế tạo BNNT có kích thước và hình dạng có thể điều chỉnh được với tỷ lệ khung hình cao.
Phá hủy bằng tia laser:
Một mục tiêu bột boron được tiêu thụ bằng tia laser công suất cao trong một buồng kín chứa đầy nitơ. Nitơ sau đó cung cấp nguyên tố còn thiếu để tạo ra BNNT. Mặc dù kỹ thuật này hiệu quả trong việc chế tạo BNNT có chất lượng tinh thể cao, nhưng tỷ lệ chi phí/lợi ích của nó không thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt.
Nghiền bi và ủ:
Đây là phương pháp hai bước, trong đó, đầu tiên, một ống bột bo được nghiền bi để tạo thành các hạt bột bo nhỏ, sau đó bột bo được nung trong môi trường nitơ để tổng hợp BNNT. Tuy nhiên, phương pháp này ít tốn kém hơn, các ống thu được ngắn hơn, chiều dài đều hơn và số lượng ít hơn.
Phóng điện hồ quang plasma:
Trong kỹ thuật này, một hồ quang plasma được hình thành giữa hai điện cực boron trong môi trường khí nitơ. Nhiệt độ cao đặc trưng của hồ quang plasma là nguyên nhân dẫn đến sự phát triển của BNNT. Các nghiên cứu cho thấy quy trình này hiệu quả trong việc sản xuất khối lượng lớnnhưng chất lượng có thể khác nhau.
Ứng dụng của ống nano Bo Nitride
Nhờ những đặc tính đặc biệt, BNNT phù hợp với nhiều mục đích sử dụng, từ điện, nhiệt, y sinh đến kỹ thuật hàng không vũ trụ.
1. Điện tử và Quang điện tử
BNNT là vật liệu tiên tiến mang lại độ tin cậy cao trong điện tử. Vật liệu này có khả năng cách điện tuyệt vời với đặc tính tản nhiệt cao. Transistor tần số cao đạt được hiệu suất nâng cao nhờ việc bổ sung BNNT, giúp giảm thiểu nhiễu điện. Những vật liệu này cũng hữu ích trong điện tử công suất cao vì chúng có thể chịu được nhiệt độ rất cao mà không làm mất tính toàn vẹn cấu trúc.
Trong quang điện tử, BNNT được sử dụng để cung cấp bề mặt tối ưu cho kiến trúc điốt phát quang hữu cơ (OLED), nhờ chất nền của chúng vừa trong suốt về mặt quang học vừa bền bỉ. Chúng cũng cải thiện hiệu suất của bộ tách sóng quang bằng cách cung cấp khả năng truyền tải điện tích và tản nhiệt tốt hơn.
2. Quản lý nhiệt
Nhờ độ dẫn nhiệt cao và độ ổn định nhiệt tốt, BNNT cũng hữu ích khi cần quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử. Với thế hệ thiết bị điện tử hiện nay ngày càng nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn, nhu cầu tản nhiệt hiệu quả để tránh quá nhiệt ngày càng tăng. BNNT có thể được sử dụng làm vật liệu giao diện nhiệt, cho phép truyền nhiệt đồng thời đảm bảo cách điện.
3. Vật liệu composite và kết cấu: BNNT có tiềm năng là thành phần gia cường tốt nhất trong vật liệu composite nhờ các đặc tính cơ học vượt trội của chúng. Nhờ việc kết hợp BNNT vào polyme, kim loại hoặc gốm, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra vật liệu composite nhẹ, bền hơn, ổn định nhiệt và bền hơn so với vật liệu composite thông thường.
Những vật liệu composite này sẽ được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô, nơi mà trọng lượng của các bộ phận và hiệu suất của vật liệu là vô cùng quan trọng.
Ví dụ, việc kết hợp BNNT vào ma trận polyme làm tăng đáng kể độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt và khả năng chống bức xạ của ma trận. Đặc tính này cho phép chúng chịu được ngay cả những điều kiện khắc nghiệt nhất trong không gian.
4. Ứng dụng y sinh
Tính tương thích sinh học của BNNT cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y sinh. BNNT cũng có thể đóng vai trò là hệ thống dẫn truyền thuốc nhờ diện tích bề mặt lớn. Các phân tử sinh học có thể được sử dụng để bao phủ BNNT nhằm đưa chúng vào hệ thống sống một cách hiệu quả.
Ngoài ra, khi nói đến kỹ thuật mô, BNNT đóng vai trò như một khung đỡ cho sự phát triển của tế bào và tái tạo mô. Chúng có độ bền và khả năng tương thích sinh học cao, hỗ trợ quá trình chữa lành vết thương.
Cảm biến sinh học và cấy ghép y tế là một số ứng dụng của BNNT nhờ bản chất áp điện của chúng. Chúng tạo ra xung điện khi có lực tác động bên ngoài, cũng có thể phát hiện những thay đổi bên trong cơ thể.
5. Lưu trữ và sản xuất năng lượng
Các nghiên cứu về BNNT cũng đề cập đến việc sử dụng chúng làm vật liệu cho các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin hoặc siêu tụ điện. Diện tích bề mặt lớn của vật liệu điện cực được tổng hợp từ BNNT và tính ổn định của nó giúp cải thiện hiệu suất về khả năng lưu trữ năng lượng và vòng đời của các thiết bị lưu trữ năng lượng.
Thiết bị đeo được cung cấp năng lượng cho một trong những ứng dụng của BNNT là áp điện, trong đó vật liệu có thể chuyển đổi năng lượng cơ học dưới các dạng như rung động hoặc chuyển động của cơ thể thành năng lượng điện.
6. Bảo vệ chống bức xạ
BNNT cũng sở hữu các đặc tính bảo vệ bức xạ tuyệt vời, đặc biệt là trước bức xạ neutron. Điều này mở ra triển vọng ứng dụng cho các lĩnh vực như sứ mệnh không gian, bên trong lò phản ứng hạt nhân và máy móc điều trị ung thư. Việc sử dụng BNNT trên vật liệu composite có thể tăng khả năng chống lại các bức xạ có hại của vật liệu, đồng thời tăng cường thiết kế của vật liệu.
7. Cơ chế cảm giác và các yếu tố chuyển đổi
Tính chất áp điện và bán dẫn của BNNT khiến chúng phù hợp để chế tạo cảm biến và bộ truyền động ở cấp độ nano. Vật liệu composite BNNT này có thể chịu được áp suất, ứng suất hoặc môi trường hóa học thay đổi ở một mức độ nhất định với độ nhạy cao và phản ứng nhanh, vốn là những cảm biến ứng suất hiệu suất cao.
Những đặc điểm này có thể được khai thác trong việc chế tạo các cảm biến mỏng, có thể đeo được nhằm mục đích ghi lại các chỉ số sinh lý.
Tóm lại
Ống nano Boron Nitride là một loại vật liệu nano sở hữu nhiều tính năng thú vị. Những đặc tính độc đáo, bao gồm độ ổn định nhiệt rất cao, tính chất cơ học cao (cho phép tương thích sinh học) và khả năng cách nhiệt, cho phép chúng trở thành vật liệu đa năng cho nhiều lĩnh vực như điện tử, y sinh, hàng không vũ trụ, v.v.
Từ góc nhìn về tương lai, có thể nói rằng kỳ vọng liên quan đến BNNT là lạc quan vì những cách tổng hợp mới có thể được tích hợp với sự hiểu biết sâu hơn về các vật liệu này.
Những tiến bộ trong công nghệ nano cùng với nhu cầu về vật liệu hiệu suất cao rất có thể sẽ thúc đẩy nhiều nghiên cứu và phát triển hơn nữa trong lĩnh vực BNNT.