Materiais muito fortes e leves, capazes de suportar temperaturas extremamente altas, poderão dar início à próxima geração de naves espaciais, melhorar os dispositivos atuais ou permitir o desenvolvimento de novas imagens biomédicas ou aplicações de armazenamento de hidrogénio, entre outras.

Para este fim, cientistas da Rice University no laboratório de Angel Martí descobriram uma nova maneira de produzir nanotubos de nitreto de boro de alta pureza, estruturas cilíndricas ocas que podem suportar temperaturas de até 900°C (~1.652°F), ao mesmo tempo que são mais fortes. do que o aço em peso.

De acordo com o novo estudo publicado na Chemistry of Materials , Os pesquisadores do Rice descobriram como se livrar de impurezas difíceis de remover em nanotubos de nitreto de boro usando ácido fosfórico e ajustando a reação.

“O desafio é que durante a síntese do material, além dos tubos, acabamos com muito material extra”, disse Kevin Shumard, estudante de doutorado em química e principal autor do estudo. "Como cientistas, queremos trabalhar com o material mais puro possível, para limitar as variáveis ​​à medida que experimentamos. Este trabalho nos deixa um passo mais perto de criar materiais com potencial para renovar indústrias inteiras quando usados ​​como aditivos em metais ou compósitos cerâmicos para torná-los ainda mais fortes."

A “coisa extra” que geralmente prejudica a qualidade e a utilidade dos nanotubos são as gaiolas de nitreto de boro – estruturas ocas em forma de esfera que encapsulam partículas de boro. Artigo publicado no Journal of the American Chemical Society em 2013, que mostrou que o ácido fosfórico atuava como um agente umectante de nitreto de boro, inspirou os pesquisadores a explorar se poderiam usar o ácido para remover as gaiolas.

“Não esperávamos uma reação”, disse Martí, professor de química, bioengenharia e ciência de materiais e nanoengenharia, catedrático de química e diretor do corpo docente do Rice Emerging Scholars Program.

E, de facto, à temperatura ambiente, nada aconteceu. Mas quando esquentaram as coisas, os pesquisadores tiveram uma surpresa.

“Quando olhamos através do microscópio, não vimos tubos nem gaiolas”, disse Martí. "Em vez disso, havia pirâmides."

Os pesquisadores aprenderam que as altas temperaturas e concentrações de ácido eram destrutivas para o nitreto de boro, então revisaram sua hipótese e, em vez disso, procuraram ajustar a reação para destruir apenas estruturas indesejadas no material.

"Através de muita experimentação, desenvolvemos uma direção completamente nova para a purificação de nanotubos", disse Shumard. “Passei muito tempo na frente de um microscópio eletrônico e li muitos artigos com imagens de nanotubos de nitreto de boro. O material que podemos fazer é de longe os tubos mais puros que já vi quando comparado a outros.”

Os investigadores planeiam continuar os seus esforços para melhorar o rendimento das reações, de modo a produzir nanotubos suficientes para produzir fibras, o que poderia ser uma alternativa adequada e mais sustentável ao aço.

“O nitrogênio constitui 70% da nossa atmosfera e o boro é altamente abundante nas rochas”, disse Shumard. "Este trabalho pode ser um trampolim para materiais de construção muito melhores, tanto em termos de resistência como em termos de sustentabilidade."

A estrutura dos nanotubos de nitreto de boro é muito semelhante à dos nanotubos de carbono, assim como algumas de suas propriedades, como resistência à tração e condutividade térmica. No entanto, os nanotubos de nitreto de boro são mais resilientes e algumas das suas propriedades são complementares às dos seus homólogos de carbono.

“Por exemplo, os nanotubos de carbono podem ser condutores elétricos ou semicondutores, enquanto os nanotubos de nitreto de boro são isolantes”, disse Martí. "A ciência sobre nanotubos de nitreto de boro não está tão desenvolvida quanto a ciência sobre nanotubos de carbono - uma lacuna que esperávamos abordar em nossa pesquisa porque acreditamos que a capacidade de produzir nanotubos de nitreto de boro puro de forma eficiente e confiável poderia ser importante para uma ampla gama das indústrias."

Mais informações: Kevin R. Shumard et al, Reatividade de nanomateriais de nitreto de boro com ácido fosfórico e sua aplicação na purificação de nanotubos de nitreto de boro, Química de materiais (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01424
Informações do diário: Jornal da Sociedade Química Americana , Química de Materiais

Fornecido pela Rice University