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Jul 15, 2023

깔끔한 질화붕소 나노튜브의 액정과 정렬된 거시적 재료로의 조립

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3136(2022) 이 기사 인용

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BNNT(붕소 질화물 나노튜브)는 예측된 탁월한 특성으로 인해 주목을 받았습니다. 그러나 합성 및 가공의 어려움으로 인해 거시적 재료의 발전이 방해를 받았습니다. 최근의 발전으로 인해 고순도 BNNT가 생산되었습니다. 여기서 우리는 깔끔한 BNNT가 클로로술폰산(CSA)에 용해되어 170ppmw 이상의 농도에서 복굴절 액정 도메인을 형성한다는 것을 보고합니다. 이러한 탁토이드 도메인은 모세혈관에서 가벼운 초음파 처리 시 밀리미터 크기의 영역으로 병합됩니다. 극저온 전자 현미경은 용액 내 BNNT의 네마틱 정렬을 직접적으로 보여줍니다. BNNT 액정은 정렬된 필름으로 가공되고 깔끔한 BNNT 섬유로 압출될 수 있습니다. BNNT의 네마틱 액정에 대한 이번 연구는 고성능 응용 분야에 사용되는 거시적 재료를 형성하는 능력을 보여줍니다.

질화붕소 나노튜브(BNNT)는 직경이 수 나노미터이고 길이가 마이크론인 고종횡비의 막대 모양 나노구조입니다1. 화학적으로 BNNT는 육각형으로 결합된 시트에 붕소와 질소 원자가 교대로 구성되어 있으며 스크롤되어 여러 가지 독특한 특성을 발생시키는 원활한 원통형 구조를 형성합니다. 기계적으로 강한 것 외에도 BNNT는 열전도성5, 전기 절연성2, 중성자 차폐6, 압전성7을 갖추고 있으며 공기 중에서 최대 900°C까지 열적으로 안정적입니다8,9. 이러한 특성은 항공우주, 전자, 에너지 효율적인 재료를 포함한 많은 응용 분야에 바람직합니다. 그러나 BNNT의 놀라운 특성은 현미경 수준에서만 관찰되었기 때문에 BNNT의 유용성은 아직 완전히 실현되지 않았습니다. 향후 재료 품질 및 가공 기술이 개선되면 극한 환경에서 사용할 수 있는 탁월한 특성을 갖춘 고성능 BNNT 제품이 가능해질 것입니다.

우수한 열 안정성 외에도 많은 바람직한 특성을 공유하는 BNNT의 구조적 유사체인 탄소 나노튜브(CNT)11를 통해 달성된 것처럼, 나노 규모 빌딩 블록의 고유 특성은 장거리 정렬을 제어하여 거시적 규모로 변환될 수 있습니다. . 예를 들어, 조밀하게 포장되고 고도로 정렬된 CNT 섬유는 직접 방사14,15, 습식 방사16,17,18 및 카펫 방사19를 포함한 여러 경로를 통해 높은 성능(예: 4GPa 이상의 인장 강도13 및 10MS/m 이상의 전기 전도성13)을 생성합니다. ,20. 지금까지 이러한 방법 중 어느 것도 정렬된 BNNT 재료를 생산하는 데 효과적으로 사용되지 않았습니다. 이러한 경로 중에서 습식 방사는 합성 방법과 무관하기 때문에 BNNT 처리에 가장 쉽게 적용되는 것으로 보입니다. 그러나 습식 방사에는 나노튜브용 용매가 필요하며 바람직하게는 나노로드 액정의 형성이 필요합니다. 개별화된 BNNT의 분산은 클로로술폰산(CSA)을 사용하여 달성할 수 있습니다. Kleinermanet al. 외부 BNNT 벽의 질소 원자의 양성자가 표면에 순 양전하를 부여한다는 가설을 세웠습니다. 양전하를 띤 BNNT는 CNT의 경우처럼 서로 반발하여 개별화됩니다. 그러나 BNNT의 결합 구조는 공유된 π 전자가 비편재화를 선호하여 CNT가 산에 용해될 때 양전하의 추가 안정화를 선호하는 CNT와 달리 양성자를 질소 원자에 위치시킵니다. 이러한 덜 효과적인 전하 안정화(및 질소 원자의 전하 위치화)는 예상보다 높은 등방성 네마틱과 일치하는 CSA에서 BNNT의 장거리 인력(CSA23의 CNT에는 없음)으로 이어질 가능성이 높습니다. 이 연구에서 관찰된 상전이. 지금까지 BNNT 액정의 형성은 달성되지 않았는데, 이는 아마도 BNNT의 개별화 및 정렬을 방해하는 샘플 불순물(예: 육방정계 질화붕소(h-BN) 및 원소 붕소24)로 인해 발생했을 수 있습니다. 이전 연구에서는 DNA-BNNT 하이브리드 시스템의 자발적인 정렬이 제안되었지만 정렬된 구조는 여과25 또는 증발26에 의한 용매 제거 후 DNA로 감싼 BNNT의 건조 필름에서만 관찰되었습니다.