水稻化学家发现去除氮化硼纳米管杂质的新方法

能够承受极高温度的非常坚固的轻质材料可以迎来下一代航天器，增强现有设备或开发新的生物医学成像或储氢应用等。为此，莱斯大学安吉尔·马蒂实验室的科学家发现了一种制造高纯度氮化硼纳米管的新方法，这种空心圆柱形结构可以承受高达900摄氏度（~1652华氏度）的温度，同时重量也比钢更坚固。

根据发表在《材料化学》上的一项研究，赖斯大学的研究人员想出了如何使用磷酸去除氮化硼纳米管中难以去除的杂质并微调反应的方法。

“挑战在于，在材料合成过程中，除了管子之外，我们最终还会得到很多额外的东西，”化学博士生、该研究的主要作者Kevin Shumard说。“作为科学家，我们希望尽可能使用最纯净的材料，以便在实验时限制变量。这项工作使我们离制造具有改造整个行业潜力的材料更近了一步，当用作金属或陶瓷复合材料的添加剂时，可以使这些材料更加坚固。

通常损害纳米管质量和实用性的“额外物质”是氮化硼笼⎯包裹硼颗粒的空心球形结构。 一篇显示磷酸作为氮化硼润湿剂的论文激发了研究人员探索是否可以使用磷酸来去除笼子。

“我们没想到会有反应，”化学，生物工程，材料科学和纳米工程教授，化学主席和赖斯新兴学者计划的教职主任马蒂说。

事实上，在室温下，什么也没发生。但是当他们把事情加热时，研究人员得到了一个惊喜。

“当我们通过显微镜观察时，我们没有看到管子，也没有笼子，”马蒂说。“取而代之的是金字塔。”

研究人员了解到，高温和酸浓度对氮化硼具有破坏性，因此他们修改了他们的假设，而是旨在调整反应以仅破坏材料中不需要的结构。

“通过大量的实验，我们开发了一个全新的纳米管纯化方向，”Shumard说。“我花了很多时间在电子显微镜前，阅读了很多带有氮化硼纳米管图像的论文。与其他材料相比，我们可以制造的材料是迄今为止我见过的最纯净的管子。

研究人员计划继续努力提高反应产率，以便生产足够的纳米管来制造纤维，这可能是一种合适且更可持续的钢铁替代品。

“氮占我们大气的70%，硼在岩石中含量很高，”Shumard说。“这项工作可以成为在强度和可持续性方面获得更好建筑材料的垫脚石。”

氮化硼纳米管的结构与碳纳米管非常相似，它们的抗拉强度和导热性等一些特性也是如此。然而，氮化硼纳米管更具弹性，并且它们的一些特性与碳纳米管互补。

“例如，碳纳米管可以是电导体或半导体，而氮化硼纳米管是绝缘体，”马蒂说。“氮化硼纳米管的科学不如碳纳米管的科学发展，我们希望在研究中解决这一空白，因为我们认为高效可靠地生产纯氮化硼纳米管的能力对广泛的行业都很重要。

该论文的合著者包括博士后研究员Jesus Acapulco Jr.和Matteo Pasquali，A.J. Hartsook化学和生物分子工程教授以及化学，材料科学和纳米工程教授。

该研究得到了美国国家科学基金会（1807737,2108838），空军科学研究办公室（FA9550-19-1-7045）和韦尔奇基金会（C-1668）的支持。

同行评议论文：

氮化硼纳米材料与磷酸的反应性及其在氮化硼纳米管纯化中的应用 |材料化学 |DOI： 10.1021/acs.chemmater.3c01424

作者：凯文·舒马尔德、小耶稣·阿卡普尔科、马泰奥·帕斯夸利和安吉尔·马蒂

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01424

图片下载：

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图片说明：凯文·舒马尔德（Kevin Shumard）是一名化学博士生，也是发表在《材料化学》（Chemistry of Materials）上的一项研究的主要作者。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：凯文·舒马尔德（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：安吉尔·马蒂（Angel Martí）是莱斯大学化学、生物工程、材料科学和纳米工程教授，也是化学系主任。（摄影：Gustavo Raskoksy/莱斯大学）

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图片说明：起始材料（左起）的扫描电子显微镜图像，高浓度磷酸处理产生的材料和纯化的氮化硼纳米管。（图片由马蒂集团/莱斯大学提供）

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链接：

莱斯大学的Angel Martí小组：https://martigroup.rice.edu/

生物工程系：https://bioengineering.rice.edu/

化学系：https://chemistry.rice.edu/

材料科学与纳米工程系：https://msne.rice.edu/

威斯自然科学学院：https://naturalsciences.rice.edu

George R. Brown School of Engineering：https://engineering.rice.edu

关于大米：

莱斯大学位于休斯顿占地300英亩的森林校园内，一直被《美国新闻与世界报道》评为全美排名前20的大学之一。赖斯拥有备受推崇的建筑学院、商学院、继续教育学院、工程学院、人文学院、音乐学院、自然科学学院和社会科学学院，并且是贝克公共政策研究所的所在地。莱斯大学拥有 4,574 名本科生和 3,982 名研究生，本科生与教师的比例略低于 6 比 1。它的住宿学院系统建立了紧密联系的社区和终生的友谊，这只是赖斯在大量种族/阶级互动方面排名第一、在最佳大学中排名第二和生活质量排名第 12 的原因之一。赖斯大学还被Kiplinger’s Personal Finance评为私立大学中最具价值的大学。