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Un equipo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Tokio han creado estructuras del tamaño de un centímetro hechas de nitruro de boro hexagonal (hBN) cargado con cientos de miles de millones de fibras huecas alineadas (nanotubos). Estas estructuras del tamaño de un centímetro son lo suficientemente grandes como para ser vistas a simple vista.
Los ingenieros del MIT fabrican un bosque de nanotubos de «grafeno blanco» (que se muestran aquí con el patrón MIT) quemando un andamio de carbono negro. Crédito de la foto: Cortesía de los investigadores.
El hBN es un material delgado como un átomo que se ha denominado «grafeno blanco» debido a su apariencia transparente y su similitud con el grafeno basado en carbono en cuanto a estructura molecular y resistencia. Puede soportar temperaturas más altas que el grafeno y es eléctricamente aislante en lugar de conductor. Cuando el hBN se enrolla en tubos a nanoescala (o nanotubos), sus notables propiedades mejoran enormemente.
Los hallazgos del equipo, publicados recientemente en ACS nano, proporcionar una forma de fabricar nanotubos de nitruro de boro alineados (A-BNNT) en grandes cantidades. Los científicos planean usar el proceso para producir grandes cantidades de estos nanotubos, que luego pueden integrarse con otros materiales para crear compuestos más fuertes y resistentes al calor, por ejemplo, para proteger aeronaves hipersónicas y estructuras espaciales.
Dado que hBN es eléctricamente aislante y transparente, los investigadores también tienen la intención de integrar los BNNT en ventanas transparentes, aislando así eléctricamente los sensores en los dispositivos electrónicos.
Los investigadores también están investigando métodos para tejer las nanofibras en membranas para la filtración de agua y la «energía azul», una nueva idea de energía renovable que genera electricidad a partir del tamizado iónico del agua salada en agua dulce.
Brian Wardle, profesor de ingeniería aeroespacial en el MIT, compara los hallazgos del equipo con la búsqueda de décadas de los investigadores para producir nanotubos de carbono en masa.
En 1991, un solo nanotubo de carbono fue identificado como algo interesante, pero han pasado 30 años desde que surgieron los nanotubos de carbono alineados a gran escala, y el mundo aún no ha llegado a ese punto. Con el trabajo que estamos haciendo, acabamos de acortar unos 20 años para lograr versiones masivas de nanotubos de nitruro de boro alineados.
Brian Wardle, autor principal del estudio y profesor aeroespacial, Instituto de Tecnología de Massachusetts
Wardle es el autor principal del estudio. El estudio también incluye al autor principal e investigador del MIT Luiz Acauan, el ex postdoctorado del MIT Haozhe Wang y colaboradores de la Universidad de Tokio.
Similar al grafeno, el hBN tiene una estructura molecular que se asemeja a la tela metálica. En el grafeno, esta formación de eslabones de cadena consiste en átomos de carbono organizados en un patrón repetitivo de hexágonos.
En hBN, los hexágonos están formados por átomos de nitrógeno y boro alternados. En los últimos años, los científicos han aprendido que las láminas bidimensionales (2D) de hBN exhiben excelentes propiedades de rigidez, resistencia y elasticidad a temperaturas elevadas.
Cuando las láminas de hBN se enrollan en estructuras de nanotubos, estas propiedades mejoran aún más, especialmente cuando los nanotubos se alinean, como árboles en miniatura en un bosque densamente poblado.
Sin embargo, ha sido difícil encontrar formas de producir BNNT estables y de alta calidad, y algunos esfuerzos han producido solo fibras inferiores no alineadas.
Si puede alinearlos, tiene muchas más posibilidades de explotar las propiedades de los BNNT a gran escala para fabricar dispositivos físicos, compuestos y membranas reales.
Brian Wardle, autor principal del estudio y profesor aeroespacial, Instituto de Tecnología de Massachusetts
En 2020, Rong Xiang y sus colegas de la Universidad de Tokio descubrieron que podían producir nanotubos de nitruro de boro de la más alta calidad utilizando primero un proceso de deposición de vapor químico tradicional para desarrollar un bosque de diminutos nanotubos de carbono de unas pocas micras de largo.
Luego cubrieron el bosque a base de carbono con «precursores» de nitrógeno y gas boro. Cuando se horneó en un horno de alta temperatura, cristalizó en los nanotubos de carbono para desarrollar nanotubos de hBN de la más alta calidad que contenían nanotubos de carbono en su interior.
En la nueva investigación, Wardle y Acauan ampliaron y escalaron el método de Xiang eliminando los nanotubos de carbono subyacentes y permitiendo que permanecieran los nanotubos largos de nitruro de boro. Los investigadores extrajeron lecciones del grupo de Wardle, que durante años se ha centrado en la construcción de matrices alineadas de nanotubos de carbono de alta calidad.
El equipo buscó métodos para ajustar con precisión las presiones y temperaturas del proceso de deposición de vapor químico para eliminar los nanotubos de carbono mientras se completan los nanotubos de nitruro de boro.
Las primeras veces que lo hicimos, fue basura completamente fea. Los tubos se enrollaron en una bola y no funcionaron.
Brian Wardle, autor principal del estudio y profesor aeroespacial, Instituto de Tecnología de Massachusetts
El equipo descubrió una combinación de presiones, temperaturas y precursores que resolvieron los problemas. Usando esta combinación de procesos, los científicos primero replicaron los pasos de Xiang para fabricar los nanotubos de carbono recubiertos con nitruro de boro.
Debido a que el hBN es insensible a temperaturas más altas que el grafeno, los investigadores aumentaron el calor para quemar la estructura primaria de los nanotubos de carbono negro mientras dejaban intactos los nanotubos de nitruro de boro independientes y transparentes.
En imágenes microscópicas, los investigadores notaron estructuras cristalinas claras, evidencia de que los nanotubos de nitruro de boro son de alta calidad. Las estructuras también eran densas y, en un centímetro cuadrado, el equipo pudo fabricar un bosque de más de 100 000 millones de nanotubos de nitruro de boro alineados, de aproximadamente un milímetro de altura y lo suficientemente grandes como para verse a simple vista. De acuerdo con los principios de la tecnología de nanotubos, estas dimensiones son «grandes» en escala.
«Ahora podemos producir estas nanofibras a gran escala, algo que nunca antes se había demostrado». Akauan dice.
Para demostrar la versatilidad de su método, los investigadores crearon estructuras más grandes a base de carbono, incluida una estera de nanotubos de carbono «borrosos», una red de fibras de carbono y láminas de nanotubos de carbono dispuestos al azar llamados «buckypaper».
Recubrieron cada muestra a base de carbono con precursores de nitrógeno y boro y luego ejecutaron su proceso de quemar el carbono subyacente. Cada experimento se quedó con una reproducción de nitruro de boro del marco de carbono negro original.
También podrían «derribar» los bosques BNNT y crear películas fibrosas alineadas horizontalmente, que son una configuración preferida para la incorporación en materiales compuestos.
Actualmente estamos trabajando en fibras para el refuerzo de composites de matriz cerámica, para aplicaciones hipersónicas y espaciales donde intervienen temperaturas muy altas, y para ventanas de dispositivos que necesitan ser ópticamente transparentes. Podrían fabricar materiales transparentes reforzados con estos nanotubos muy potentes.
Brian Wardle, autor principal del estudio y profesor aeroespacial, Instituto de Tecnología de Massachusetts
Este estudio fue apoyado en parte por Saab AB, Airbus, Boeing, ANSYS, Lockheed Martin, Embraer y Teijin Carbon America a través del Consorcio de Estructuras Aeroespaciales Compuestas de Nano-Ingeniería (NECST) del MIT.
referencia de la revista
Akauan, LH, y otros. (2022) Estructuras micro y macro de matrices de nanotubos de nitruro de boro alineados. ACS nano. doi.org/10.1021/acsnano.2c05229.
Fuente: https://mit.edu
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