科学家们已经确定了一种创新的绝缘纳米材料的化学途径，它可以导致大规模的工业生产，用于各种用途，包括宇航服和军用车辆。这种纳米材料比人的头发还要细几千倍，比钢铁还要坚固，而且不可燃，可以阻挡宇航员的辐射，并有助于加固军用车辆的装甲。


美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的合作研究人员提出了一种逐步获得这种纳米材料前体的化学途径，称为氮化硼纳米管（BNNT），这可能导致其大规模生产。



"开创性的工作"


这一突破将等离子体物理学和量子化学结合起来，是PPPL研究扩展的一部分。PPPL物理学家Igor Kaganovich说："这是一项开创性的工作，将实验室带入了新的方向。"他是BNNT项目的主要研究人员，也是《纳米技术》杂志上详细介绍该结果的论文的共同作者。


彼得大帝圣彼得堡理工大学的主要作者Yuri Barsukov说，合作者将关键的化学途径步骤确定为分子氮和硼的小团块的形成，随着等离子体喷射产生的温度冷却，它们可以一起发生化学反应。他在德雷塞尔大学的PPPL实习生Omesh Dwivedi和普林斯顿等离子体物理项目的研究生Sierra Jubin的协助下，通过进行量子化学模拟开发了化学反应途径。


这个跨学科团队包括Alexander Khrabry（前PPPL研究员，现就职于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，开发了本研究中使用的热力学代码）和PPPL物理学家Stephane Ethier（帮助学生编译软件并建立模拟）。


卡加诺维奇说，这些结果解决了分子氮的谜团，它在双原子或双原子分子中具有第二强的化学键，但却能通过与硼的反应而破裂，形成各种氮化硼分子。我们花了相当多的时间来思考如何从硼和氮的混合物中获得硼-氮化物，我们发现，相对于大得多的硼滴，小的硼簇很容易与氮气分子相互作用。这就是为什么我们需要一位量子化学家和我们一起进行详细的量子化学计算。


BNNTs具有类似于碳纳米管的特性，碳纳米管是按吨生产的，在从体育用品和运动服到牙科植入物和电极的所有东西中都可以找到。但生产BNNTs的难度较大，限制了其应用和供应。



化学途径


形成BNNT前体的化学途径的证明可以促进BNNT的生产。当科学家们使用10000度的等离子体喷射器将硼和氮气变成由嵌入背景气体中的自由电子和原子核或离子组成的等离子体时，BNNT的合成过程开始了。这显示了这个过程是如何展开的：


射流蒸发了硼，而分子氮基本上保持不变。


随着等离子体的冷却，硼凝结成液滴。


当温度下降到几千度时，液滴形成小团块。


关键的下一步是氮与硼分子的小团块反应，形成硼氮链。


这些链通过相互碰撞变长，并折叠成氮化硼纳米管的前体。


Barsukov说："在高温合成过程中，小硼簇的密度很低，这是大规模生产的主要障碍。"


这些发现为BNNT纳米材料的合成开启了新的篇章。经过两年的工作，他们已经找到了途径，随着硼的凝结，它形成了大的团块，氮不会与之反应。但这个过程是从小团块开始的，氮与之发生反应，而且随着液滴的增大，仍有一定比例的小团块。


他补充说："这项工作的好处是，由于我们有等离子体和流体力学以及量子化学方面的专家，我们可以在一个跨学科小组中一起经历所有这些过程。现在我们需要将我们模型中可能的BNNT输出与实验进行比较。这将是建模的下一个阶段。"