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科学家展示了纳米管先驱的途径

导读科学家们已经确定了一种创新绝缘纳米材料的化学途径,该材料可能导致大规模工业生产用于各种用途——包括用于宇航服和军用车辆。例如,这种

科学家们已经确定了一种创新绝缘纳米材料的化学途径,该材料可能导致大规模工业生产用于各种用途——包括用于宇航服和军用车辆。例如,这种纳米材料——比人的头发薄数千倍,比钢强且不可燃——可以阻挡对宇航员的辐射,并有助于支撑军用车辆的装甲。

美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的合作研究人员提出了一种逐步形成这种纳米材料前体的化学途径,称为氮化硼纳米管 (BNNT),这可能导致它们的大——规模化生产。

“开创性工作”

这一突破将等离子体物理和量子化学结合在一起,是 PPPL 研究扩展的一部分。“这是将实验室带入新方向的开创性工作,” PPPL 物理学家 Igor Kaganovich 说,他是 BNNT 项目的首席研究员,也是纳米技术杂志上详细介绍结果的论文的合著者。

彼得大帝圣彼得堡理工大学的主要作者尤里·巴尔苏科夫 (Yuri Barsukov) 说,合作者将关键的化学途径步骤确定为分子氮和小簇硼的形成,当等离子体射流产生的温度冷却时,它们可以一起发生化学反应。他在德雷塞尔大学 PPPL 实习生 Omesh Dwivedi 和普林斯顿等离子体物理学项目研究生 Sierra Jubin 的协助下,通过进行量子化学模拟开发了化学反应途径。

跨学科团队包括 Alexander Khrabry,现任劳伦斯利弗莫尔国家实验室的前 PPPL 研究员,他开发了用于本研究的热力学代码,以及 PPPL 物理学家 Stephane Ethier,他帮助学生编译软件并设置模拟。

Kaganovich 说,这些结果解开了双原子或双原子分子中具有第二强化学键的分子氮如何通过与硼反应分解形成各种氮化硼分子的谜团。“我们花了大量时间思考如何从硼和氮的混合物中获得氮化硼化合物,”他说。“我们发现,与大得多的硼液滴相反,小簇硼很容易与氮分子相互作用。这就是为什么我们需要一位量子化学家与我们一起进行详细的量子化学计算。”

BNNT 具有类似于碳纳米管的特性,碳纳米管是按吨生产的,从体育用品和运动服到牙科植入物和电极,无所不包。但是生产 BNNT 的更大难度限制了它们的应用和可用性。

化学途径

证明形成 BNNT 前体的化学途径可以促进 BNNT 的生产。当科学家使用 10,000 度的等离子体射流将硼和氮气转化为由嵌入背景气体中的自由电子和原子核或离子组成的等离子体时,BNNT 合成过程就开始了。这显示了该过程是如何展开的:

• 射流蒸发硼,而分子氮基本保持完整;

• 随着等离子体冷却,硼凝结成液滴;

• 当温度下降到几千度时,液滴会形成小簇;

• 关键的下一步是氮与小簇硼分子反应形成硼-氮链。

• 链通过相互碰撞而变长并折叠成氮化硼纳米管的前体。

“在高温合成过程中,小硼簇的密度很低,”巴尔苏科夫说。“这是大规模生产的主要障碍。”

这些发现开启了 BNNT 纳米材料合成的新篇章。“经过两年的工作,我们找到了途径,”Kaganovich 说。“当硼凝结时,它会形成氮不会与之反应的大团簇。但是这个过程从与氮反应的小簇开始,随着液滴变大,仍然有一定比例的小簇,”他说。

“这项工作的美妙之处在于,”他补充说,“因为我们拥有等离子体、流体力学和量子化学方面的专家,我们可以在一个跨学科的小组中一起完成所有这些过程。现在我们需要将模型中可能的 BNNT 输出与实验进行比较。那将是建模的下一阶段。”

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