科學(xué)家展示了納米管先驅(qū)的途徑

科學(xué)家們已經(jīng)確定了一種創(chuàng)新絕緣納米材料的化學(xué)途徑，該材料可能導(dǎo)致大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)用于各種用途——包括用于宇航服和軍用車輛。例如，這種納米材料——比人的頭發(fā)薄數(shù)千倍，比鋼強(qiáng)且不可燃——可以阻擋對宇航員的輻射，并有助于支撐軍用車輛的裝甲。

美國能源部 (DOE) 普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室 (PPPL) 的合作研究人員提出了一種逐步形成這種納米材料前體的化學(xué)途徑，稱為氮化硼納米管 (BNNT)，這可能導(dǎo)致它們的大——規(guī)?；a(chǎn)。

“開創(chuàng)性工作”

這一突破將等離子體物理和量子化學(xué)結(jié)合在一起，是 PPPL 研究擴(kuò)展的一部分。“這是將實(shí)驗(yàn)室?guī)胄路较虻拈_創(chuàng)性工作，” PPPL 物理學(xué)家 Igor Kaganovich 說，他是 BNNT 項(xiàng)目的首席研究員，也是納米技術(shù)雜志上詳細(xì)介紹結(jié)果的論文的合著者。

彼得大帝圣彼得堡理工大學(xué)的主要作者尤里·巴爾蘇科夫 (Yuri Barsukov) 說，合作者將關(guān)鍵的化學(xué)途徑步驟確定為分子氮和小簇硼的形成，當(dāng)?shù)入x子體射流產(chǎn)生的溫度冷卻時，它們可以一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。他在德雷塞爾大學(xué) PPPL 實(shí)習(xí)生 Omesh Dwivedi 和普林斯頓等離子體物理學(xué)項(xiàng)目研究生 Sierra Jubin 的協(xié)助下，通過進(jìn)行量子化學(xué)模擬開發(fā)了化學(xué)反應(yīng)途徑。

跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)包括 Alexander Khrabry，現(xiàn)任勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的前 PPPL 研究員，他開發(fā)了用于本研究的熱力學(xué)代碼，以及 PPPL 物理學(xué)家 Stephane Ethier，他幫助學(xué)生編譯軟件并設(shè)置模擬。

Kaganovich 說，這些結(jié)果解開了雙原子或雙原子分子中具有第二強(qiáng)化學(xué)鍵的分子氮如何通過與硼反應(yīng)分解形成各種氮化硼分子的謎團(tuán)。“我們花了大量時間思考如何從硼和氮的混合物中獲得氮化硼化合物，”他說。“我們發(fā)現(xiàn)，與大得多的硼液滴相反，小簇硼很容易與氮分子相互作用。這就是為什么我們需要一位量子化學(xué)家與我們一起進(jìn)行詳細(xì)的量子化學(xué)計(jì)算。”

BNNT 具有類似于碳納米管的特性，碳納米管是按噸生產(chǎn)的，從體育用品和運(yùn)動服到牙科植入物和電極，無所不包。但是生產(chǎn) BNNT 的更大難度限制了它們的應(yīng)用和可用性。

化學(xué)途徑

證明形成 BNNT 前體的化學(xué)途徑可以促進(jìn) BNNT 的生產(chǎn)。當(dāng)科學(xué)家使用 10,000 度的等離子體射流將硼和氮?dú)廪D(zhuǎn)化為由嵌入背景氣體中的自由電子和原子核或離子組成的等離子體時，BNNT 合成過程就開始了。這顯示了該過程是如何展開的：

• 射流蒸發(fā)硼，而分子氮基本保持完整;

• 隨著等離子體冷卻，硼凝結(jié)成液滴;

• 當(dāng)溫度下降到幾千度時，液滴會形成小簇;

• 關(guān)鍵的下一步是氮與小簇硼分子反應(yīng)形成硼-氮鏈。

• 鏈通過相互碰撞而變長并折疊成氮化硼納米管的前體。

“在高溫合成過程中，小硼簇的密度很低，”巴爾蘇科夫說。“這是大規(guī)模生產(chǎn)的主要障礙。”

這些發(fā)現(xiàn)開啟了 BNNT 納米材料合成的新篇章。“經(jīng)過兩年的工作，我們找到了途徑，”Kaganovich 說。“當(dāng)硼凝結(jié)時，它會形成氮不會與之反應(yīng)的大團(tuán)簇。但是這個過程從與氮反應(yīng)的小簇開始，隨著液滴變大，仍然有一定比例的小簇，”他說。

“這項(xiàng)工作的美妙之處在于，”他補(bǔ)充說，“因?yàn)槲覀儞碛械入x子體、流體力學(xué)和量子化學(xué)方面的專家，我們可以在一個跨學(xué)科的小組中一起完成所有這些過程?，F(xiàn)在我們需要將模型中可能的 BNNT 輸出與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。那將是建模的下一階段。”

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