Ученые определили химический путь к инновационному изоляционному наноматериалу, который может привести к крупномасштабному промышленному производству для различных целей, в том числе в скафандрах и военных транспортных средствах. Наноматериал – в тысячи раз тоньше человеческого волоса, прочнее стали и негорючий – может блокировать излучение космонавтов и, например, помочь укрепить броню военных транспортных средств.

Совместные исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) предложили пошаговый химический путь к прекурсорам этого наноматериала, известным как нанотрубки нитрида бора (BNNT), которые могут привести к к их крупносерийному производству.

"Новаторская работа"

Этот прорыв объединяет физику плазмы и квантовую химию и является частью расширения исследований в PPPL. «Это новаторская работа, которая ведет лабораторию в новом направлении», – сказал физик PPPL Игорь Каганович, главный исследователь проекта BNNT и соавтор статьи, в которой подробно описаны результаты, в журнале «Нанотехнологии».

Соавторы определили ключевые этапы химического пути как образование молекулярного азота и небольших кластеров бора, которые могут химически взаимодействовать вместе при понижении температуры, создаваемой плазменной струей, сказал ведущий автор Юрий Барсуков из Петра Великого, Санкт-Петербург. Политехнический университет. Он разработал пути химических реакций, выполнив квантово-химическое моделирование с помощью Омеша Двиведи, стажера PPPL из Университета Дрекселя, и Сьерры Джубин, аспиранта Принстонской программы по физике плазмы.

В междисциплинарную команду входили Александр Храбри, бывший исследователь PPPL, ныне работающий в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, который разработал термодинамический код, используемый в этом исследовании, и физик PPPL Стефан Этье, который помог студентам скомпилировать программное обеспечение и настроить модели.

Результаты раскрыли загадку того, как молекулярный азот, который имеет вторую самую сильную химическую связь среди двухатомных или двухатомных молекул, тем не менее, может распасться в результате реакций с бором с образованием различных молекул нитрида бора, сказал Каганович. «Мы потратили много времени на размышления о том, как получить соединения нитрида бора из смеси бора и азота», – сказал он . «Мы обнаружили, что небольшие кластеры бора, в отличие от гораздо более крупных капель бора, легко взаимодействуют с молекулами азота. Вот почему нам нужен был квантовый химик, чтобы провести с нами подробные квантово-химические расчеты»

БННТ имеют свойства, аналогичные углеродным нанотрубкам, которые производятся тоннами и встречаются во всем, от спортивных товаров и спортивной одежды до зубных имплантатов и электродов. Но большая сложность производства BNNT ограничила их применение и доступность.

Химический путь

Демонстрация химического пути образования предшественников BNNT может облегчить производство BNNT. Процесс синтеза BNNT начинается, когда ученые используют плазменную струю под углом 10 000 градусов для превращения газа бора и азота в плазму, состоящую из свободных электронов и атомных ядер или ионов, заключенных в фоновом газе. Это показывает, как разворачивается процесс:

• Струя испаряет бор, в то время как молекулярный азот в основном остается нетронутым;
• Бор конденсируется в капли при охлаждении плазмы;
• Капли образуют небольшие кластеры, когда температура падает до нескольких тысяч градусов;
• Следующим важным шагом является реакция азота с небольшими кластерами молекул бора с образованием цепочек бор-азот;
• Цепи удлиняются за счет столкновения друг с другом и складываются в предшественники нанотрубок нитрида бора.

«Во время высокотемпературного синтеза плотность малых кластеров бора мала», – сказал Барсуков. «Это главное препятствие для крупномасштабного производства».

Результаты открыли новую главу в синтезе наноматериалов BNNT. «После двух лет работы мы нашли путь», – сказал Каганович. «По мере того, как бор конденсируется, он образует большие кластеры, с которыми азот не реагирует. Но процесс начинается с небольших кластеров, с которыми вступает в реакцию азот, и все еще остается процент маленьких кластеров по мере того, как капли становятся больше», он сказал.

«Прелесть этой работы, », – добавил он, «в том, что, поскольку у нас есть специалисты в области механики плазмы, жидкости и квантовой химии, мы можем пройти через все эти процессы вместе в междисциплинарной группе. . Теперь нам нужно сравнить возможный выход BNNT из нашей модели с экспериментами. Это будет следующий этап моделирования ».

Поддержка этого исследования исходит от Министерства энергетики Министерства энергетики США.

Источник: https://www.pppl.gov/[19459007provided