Materiales muy resistentes y ligeros que puedan soportar temperaturas extremadamente altas podrían marcar el comienzo de las naves espaciales de próxima generación, mejorar los dispositivos actuales o permitir el desarrollo de nuevas aplicaciones de imágenes biomédicas o almacenamiento de hidrógeno, entre otras.
Con este fin, científicos de la Universidad Rice en el laboratorio de Ángel Martí han descubierto una nueva forma de fabricar nanotubos de nitruro de boro de alta pureza, estructuras cilíndricas huecas que pueden soportar temperaturas de hasta 900°C (~1,652°F) y al mismo tiempo son más fuertes. que el acero en peso.
Según su nuevo estudio publicado en Chemistry of Materials , Los investigadores de Rice descubrieron cómo deshacerse de las impurezas difíciles de eliminar en los nanotubos de nitruro de boro usando ácido fosfórico y ajustando la reacción.
"El desafío es que durante la síntesis del material, además de los tubos, terminamos con muchas cosas adicionales", dijo Kevin Shumard, estudiante de doctorado en química y autor principal del estudio. "Como científicos, queremos trabajar con el material más puro posible para limitar las variables mientras experimentamos. Este trabajo nos acerca un paso más a la fabricación de materiales con potencial para renovar industrias enteras cuando se usan como aditivos para metales o compuestos cerámicos para hazlos aún más fuertes."
Las "cosas extra" que normalmente estropean la calidad y utilidad de los nanotubos son las jaulas de nitruro de boro:estructuras huecas en forma de esfera que encapsulan partículas de boro. Un artículo publicado en el Journal of the American Chemical Society en 2013, que demostró que el ácido fosfórico actuaba como un agente humectante de nitruro de boro, inspiró a los investigadores a explorar si podían usar el ácido para eliminar las jaulas.
"No esperábamos una reacción", dijo Martí, profesor de química, bioingeniería y ciencia de materiales y nanoingeniería, catedrático de química y director de la facultad del Rice Emerging Scholars Program.
Y, efectivamente, a temperatura ambiente no pasó nada. Pero cuando calentaron las cosas, los investigadores se llevaron una sorpresa.
"Cuando miramos por el microscopio, no vimos tubos ni jaulas", dijo Martí. "En lugar de eso, había pirámides."
Los investigadores descubrieron que las altas temperaturas y las concentraciones de ácido eran destructivas para el nitruro de boro, por lo que revisaron su hipótesis y en su lugar intentaron ajustar la reacción para destruir sólo las estructuras no deseadas en el material.
"A través de mucha experimentación, desarrollamos una dirección completamente nueva para la purificación de nanotubos", dijo Shumard. "He pasado mucho tiempo frente a un microscopio electrónico y he leído muchos artículos con imágenes de nanotubos de nitruro de boro. El material que podemos fabricar es, con diferencia, el tubo más puro que he visto en comparación con otros".
Los investigadores planean continuar sus esfuerzos para mejorar el rendimiento de las reacciones a fin de producir suficientes nanotubos para fabricar fibras, lo que podría ser una alternativa adecuada y más sostenible al acero.
"El nitrógeno constituye el 70% de nuestra atmósfera y el boro es muy abundante en las rocas", dijo Shumard. "Este trabajo podría ser un trampolín hacia materiales de construcción mucho mejores, tanto en términos de resistencia como de sostenibilidad."
La estructura de los nanotubos de nitruro de boro es muy similar a la de los nanotubos de carbono, al igual que algunas de sus propiedades, como la resistencia a la tracción y la conductividad térmica. Sin embargo, los nanotubos de nitruro de boro son más resistentes y algunas de sus propiedades son complementarias a las de sus homólogos de carbono.
"Por ejemplo, los nanotubos de carbono pueden ser conductores eléctricos o semiconductores, mientras que los nanotubos de nitruro de boro son aislantes", dijo Martí. "La ciencia sobre los nanotubos de nitruro de boro no está tan bien desarrollada como la ciencia sobre los nanotubos de carbono, una brecha que esperábamos abordar en nuestra investigación porque creemos que la capacidad de producir nanotubos de nitruro de boro puro de manera eficiente y confiable podría ser importante para una amplia gama de de industrias."
Más información: Kevin R. Shumard et al, Reactividad de nanomateriales de nitruro de boro con ácido fosfórico y su aplicación en la purificación de nanotubos de nitruro de boro, Química de materiales (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01424
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense , Química de los Materiales
Proporcionado por la Universidad Rice
