Химики разрабатывают новый протокол для улучшения 2D-материала с помощью углеродных цепей

Химики разрабатывают новый протокол для улучшения 2D-материала с помощью углеродных цепей

Несмотря на то, что гексагональный нитрид бора (h-BN), как известно, является жестким, исследователи из Университета Райс делают этот материал более легким в освоении.

Чешуйка функционализированного гексагонального нитрида бора, созданная в Райсе, как видно из просвечивающего электронного микроскопа. (Изображение предоставлено: Angel Martí Group)

Двумерный (2D) h-BN представляет собой изолирующий материал и также упоминается как «белый графен». Он является отличным проводником тепла – преимущество для композитов, которые зависят от него, чтобы улучшить свои свойства, – и также в четыре раза жестче стали. Эти качества затрудняют модификацию h-BN.

Кроме того, его тесная гексагональная решетка чередующихся атомов азота и бора чрезвычайно устойчива к изменениям, в отличие от других двумерных материалов, включая графен, которые могут быть легко изменены – или функционализированы – другими элементами.

Протокол по улучшению h-BN с углеродными цепями был опубликован химиком из лаборатории Райса Анхелем Марти. Этот процесс превращает 2D твердый h-BN в материал, который в большей степени способствует связыванию с полимерами или другими типами материалов в композитах, но при этом сохраняет свою прочность.

В статье лаборатории, опубликованной в Журнале физической химии Американского химического общества указывается, что материал h-BN также можно сделать более диспергируемым в органических растворителях.

Вместе со своей командой Марти изменил процесс реакции Биллапса-Берча, который они эффективно использовали для модификации нанотрубок нитрида бора, чтобы атаковать защиту ковалентно связанных углеродов и h-BN.

В 2004 году заслуженный профессор химии Райс Эдвард Биллапс улучшил восстановление березы, чтобы функционализировать углеродные нанотрубки. Первоначально обнаруженная в 1940-х годах, восстановление березы освобождает электроны от прилипания к другим атомам. В протоколе Райса Марти и его группа смогли регулировать количество функционализации h-BN, изменяя количество лития в реакции.

Поскольку литий является щелочным металлом, он выделяет свободные электроны при интеграции со сжиженным аммиаком. При объединении с источником углерода – в данном случае 1-бромдодеканом – и хлопьями h-BN в результате реакции образуется алкильный радикал, тип химических соединений, которые реагируют с h-BN и образуют связь.

По словам Марти, это лучший метод, открытый на сегодняшний день для изменения h-BN, который устойчив к изменениям даже при экстремальных температурах.

Вы берете немного графита и помещаете его в печь при температуре 800 градусов по Цельсию, и он исчезнет. Вы берете гексагональный нитрид бора и делаете то же самое, и он все еще будет там улыбаться вам .

Анхель Марти, химик и доцент кафедры химии, биоинженерии, материаловедения и наноинженерии, Университет Райса

« Это дает вам представление о том, насколько оно стабильно, и именно эту проблему мы хотели решить », – заявил Марти. « Материал хорош для определенных применений, но чтобы контролировать его свойства для производства, вы должны прививать различные группы на поверхность ».

Молярное отношение лития к h-BN 20: 1 улучшило процесс прививки углеродных цепей к краям и поверхности, сказал он. Поскольку основание h-BN продолжает оставаться стабильным при экстремальных температурах, его можно вернуть в идеальное состояние, просто сгорев в функциональных цепях.

Известно, что H-BN является природно гидрофильным или привлекающим воду, но функциональные атомы углерода делают их почти супергидрофобными или избегающими воды – отличная черта для создания защитных пленок, добавил Марти. Однако даже когда чешуйки улучшаются, они остаются способствующими дисперсии в неполярных растворителях.

Марти сообщил, что его команда исследует другие типы молекул, которые могут быть привиты на белый графен.

А как насчет бензольных групп? А как насчет эфиров? А как насчет групп, которые сделают его совместимым с другими материалами ? Существует большой интерес к созданию композиционных материалов между h-BN, нанотрубками нитрида бора и полимерами. В конечном счете, мы хотели бы привить различные группы на h-BN и создать библиотеку, своего рода набор инструментов, из функциональных групп, которые можно использовать с этими материалами .

Анхель Марти, химик и доцент кафедры химии, биоинженерии, материаловедения и наноинженерии, Университет Райса

Ведущий автор статьи – Райс выпускник Карлос де лос Рейес. Соавторами являются студентка Райс Катарин Эрнандес, аспиранты Сесилия Мартинес-Хименес, Седрик Джинестра и Эшли Смит МакВильямс, научный сотрудник Кендал Вальц-Митра и Маттео Паскуали, доктор юридических наук. Хартсук Профессор химической и биомолекулярной инженерии, профессор материаловедения, наноинженерии и химии.

Марти – доцент кафедры химии, биоинженерии, материаловедения и наноинженерии.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и Фондом Уэлча, поддержавшим исследование.

Источник: https://www.rice.edu/

Source link