Lampeggiante crea difficile

Gli scienziati della Rice University che “lampeggiano” materiali per sintetizzare sostanze come il grafene hanno rivolto la loro attenzione al nitruro di boro, molto apprezzato per la sua stabilità termica e chimica.

Il processo del laboratorio Rice del chimico James Tour espone un precursore al rapido riscaldamento e raffreddamento per produrre materiali bidimensionali, in questo caso nitruro di boro puro e nitruro di boro carbonio. Entrambi sono stati finora difficili da creare in grandi quantità e quasi impossibili da produrre in forma facilmente solubile.

Il rapporto del laboratorio in Advanced Materials descrive in dettaglio come il riscaldamento flash Joule, una tecnica introdotta dal laboratorio Tour nel 2020, può essere messo a punto per preparare scaglie purificate e microscopiche di nitruro di boro con vari gradi di carbonio.

Gli esperimenti con il materiale hanno dimostrato che le scaglie di nitruro di boro possono essere utilizzate come parte di un potente rivestimento anticorrosivo.

“Il nitruro di boro è un materiale 2D molto ricercato”, ha affermato Tour. “Essere in grado di realizzarlo in grandi quantità, e ora con quantità miste di carbonio, lo rende ancora più versatile”.

Su scala nanometrica, il nitruro di boro si presenta in diverse forme, inclusa una configurazione esagonale che assomiglia al grafene ma con atomi di boro e azoto alternati al posto del carbonio. Il nitruro di boro è morbido, quindi viene spesso utilizzato come lubrificante e come additivo nei cosmetici e si trova anche nella ceramica e nei composti metallici per migliorare la loro capacità di gestire il calore elevato.

L’ingegnere chimico della Rice, Michael Wong, ha recentemente riferito che il nitruro di boro è un catalizzatore efficace nel contribuire a distruggere il PFAS, una pericolosa “sostanza chimica per sempre” presente nell’ambiente e negli esseri umani.

Il riscaldamento Flash Joule prevede l'inserimento di materiali sorgente tra due elettrodi in un tubo e l'invio di una rapida scossa di elettricità attraverso di essi. Per quanto riguarda il grafene, i materiali possono essere qualsiasi cosa contenente carbonio, rifiuti alimentari e parti di automobili in plastica usate, solo per fare due esempi. Il processo ha anche isolato con successo gli elementi delle terre rare dalle ceneri volanti di carbone e da altre materie prime.

Negli esperimenti condotti dallo studente laureato della Rice Weiyin Chen, il laboratorio ha inserito ammoniaca borano (BH3NH3) nella camera di flash con quantità variabili di nerofumo, a seconda del prodotto desiderato. Il campione è stato quindi sottoposto a flashing due volte, prima con 200 volt per degasare il campione dagli elementi estranei e nuovamente con 150 volt per completare il processo, con un tempo totale di flashing inferiore a un secondo.

Le immagini al microscopio hanno mostrato che i fiocchi sono turbostratici – cioè disallineati come piastre mal impilate – con interazioni indebolite tra loro. Ciò rende i fiocchi facili da separare.

Sono anche facilmente solubili, il che ha portato agli esperimenti anticorrosione. Il laboratorio ha mescolato il nitruro di boro flash con alcol polivinilico (PVA), ha dipinto il composto su una pellicola di rame ed ha esposto la superficie all'ossidazione elettrochimica in un bagno di acido solforico.

Il composto sottoposto a flashing si è dimostrato migliore di oltre il 92% nel proteggere il rame rispetto al solo PVA o a un composto simile con nitruro di boro esagonale commerciale. Immagini microscopiche hanno mostrato che il composto creava “percorsi di diffusione tortuosi per gli elettroliti corrosivi” per raggiungere il rame e impediva anche la migrazione degli ioni metallici.

Chen ha detto che la conduttività del precursore può essere regolata non solo aggiungendo carbonio ma anche ferro o tungsteno.

Ha detto che il laboratorio vede il potenziale per far lampeggiare ulteriori materiali. "I precursori che sono stati utilizzati in altri metodi, come la deposizione idrotermale e chimica da vapore, possono essere provati nel nostro metodo flash per vedere se possiamo preparare più prodotti con caratteristiche metastabili", ha detto Chen. "Abbiamo dimostrato il flashing di carburi di metalli in fase metastabile e dicalcogenuri di metalli di transizione, e questa parte merita ulteriori ricerche."

Coautori dello studio sono gli ex alunni della Rice John Tianci Li, Wala Algozeeb, Paul Advincula, Emily McHugh e Duy Xuan Luong, gli studenti laureati Chang Ge, Zhe Yuan, Jinhang Chen, Kexin Ling, Chi Hun Choi, Kevin Wyss e Zhe Wang, il ricercatore Guanhui Gao e Yimo Han, un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. Tour è la cattedra Chao di TT e WF in Chimica, nonché professore di informatica, scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice.