科學家展示了納米管先驅的途徑

科學家們已經確定了一種創(chuàng)新絕緣納米材料的化學途徑，該材料可能導致大規(guī)模工業(yè)生產用于各種用途——包括用于宇航服和軍用車輛。例如，這種納米材料——比人的頭發(fā)薄數千倍，比鋼強且不可燃——可以阻擋對宇航員的輻射，并有助于支撐軍用車輛的裝甲。

美國能源部 (DOE) 普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的合作研究人員提出了一種逐步形成這種納米材料前體的化學途徑，稱為氮化硼納米管 (BNNT)，這可能導致它們的大——規(guī)?；a。

“開創(chuàng)性工作”

這一突破將等離子體物理和量子化學結合在一起，是 PPPL 研究擴展的一部分。“這是將實驗室?guī)胄路较虻拈_創(chuàng)性工作，” PPPL 物理學家 Igor Kaganovich 說，他是 BNNT 項目的首席研究員，也是納米技術雜志上詳細介紹結果的論文的合著者。

彼得大帝圣彼得堡理工大學的主要作者尤里·巴爾蘇科夫 (Yuri Barsukov) 說，合作者將關鍵的化學途徑步驟確定為分子氮和小簇硼的形成，當等離子體射流產生的溫度冷卻時，它們可以一起發(fā)生化學反應。他在德雷塞爾大學 PPPL 實習生 Omesh Dwivedi 和普林斯頓等離子體物理學項目研究生 Sierra Jubin 的協助下，通過進行量子化學模擬開發(fā)了化學反應途徑。

跨學科團隊包括 Alexander Khrabry，現任勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的前 PPPL 研究員，他開發(fā)了用于本研究的熱力學代碼，以及 PPPL 物理學家 Stephane Ethier，他幫助學生編譯軟件并設置模擬。

Kaganovich 說，這些結果解開了雙原子或雙原子分子中具有第二強化學鍵的分子氮如何通過與硼反應分解形成各種氮化硼分子的謎團。“我們花了大量時間思考如何從硼和氮的混合物中獲得氮化硼化合物，”他說。“我們發(fā)現，與大得多的硼液滴相反，小簇硼很容易與氮分子相互作用。這就是為什么我們需要一位量子化學家與我們一起進行詳細的量子化學計算。”

BNNT 具有類似于碳納米管的特性，碳納米管是按噸生產的，從體育用品和運動服到牙科植入物和電極，無所不包。但是生產 BNNT 的更大難度限制了它們的應用和可用性。

化學途徑

證明形成 BNNT 前體的化學途徑可以促進 BNNT 的生產。當科學家使用 10,000 度的等離子體射流將硼和氮氣轉化為由嵌入背景氣體中的自由電子和原子核或離子組成的等離子體時，BNNT 合成過程就開始了。這顯示了該過程是如何展開的：

• 射流蒸發(fā)硼，而分子氮基本保持完整;

• 隨著等離子體冷卻，硼凝結成液滴;

• 當溫度下降到幾千度時，液滴會形成小簇;

• 關鍵的下一步是氮與小簇硼分子反應形成硼-氮鏈。

• 鏈通過相互碰撞而變長并折疊成氮化硼納米管的前體。

“在高溫合成過程中，小硼簇的密度很低，”巴爾蘇科夫說。“這是大規(guī)模生產的主要障礙。”

這些發(fā)現開啟了 BNNT 納米材料合成的新篇章。“經過兩年的工作，我們找到了途徑，”Kaganovich 說。“當硼凝結時，它會形成氮不會與之反應的大團簇。但是這個過程從與氮反應的小簇開始，隨著液滴變大，仍然有一定比例的小簇，”他說。

“這項工作的美妙之處在于，”他補充說，“因為我們擁有等離子體、流體力學和量子化學方面的專家，我們可以在一個跨學科的小組中一起完成所有這些過程?，F在我們需要將模型中可能的 BNNT 輸出與實驗進行比較。那將是建模的下一階段。”

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