Engenheiros do MIT e da Universidade de Tóquio produziram estruturas em escala de centímetros, grandes o suficiente para o olho ver, que são embaladas com centenas de bilhões de fibras ocas alinhadas, ou nanotubos, feitas de nitreto de boro hexagonal.

O nitreto de boro hexagonal , ou hBN, é um material fino de um único átomo que foi denominado "grafeno branco" por sua aparência transparente e sua semelhança com o grafeno à base de carbono em estrutura e força molecular . Ele também pode suportar temperaturas mais altas que o grafeno e é eletricamente isolante, em vez de condutor. Quando o hBN é enrolado em tubos de escala nanométrica, ou nanotubos, suas propriedades excepcionais são significativamente aprimoradas.

Os resultados da equipe, publicados hoje na revista ACS Nano , fornecem uma rota para a fabricação de nanotubos de nitreto de boro alinhados (A-BNNTs) em massa. Os pesquisadores planejam aproveitar a técnica para fabricar matrizes em grande escala desses nanotubos, que podem ser combinados com outros materiais para fazer compósitos mais fortes e resistentes ao calor, por exemplo, para proteger estruturas espaciais e aeronaves hipersônicas.

Como o hBN é transparente e isolante eletricamente, a equipe também prevê incorporar os BNNTs em janelas transparentes e usá-los para isolar eletricamente sensores em dispositivos eletrônicos. A equipe também está investigando maneiras de tecer as nanofibras em membranas para filtragem de água e "energia azul" - um conceito de energia renovável no qual a eletricidade é produzida a partir da filtragem iônica de água salgada em água doce.

Brian Wardle, professor de aeronáutica e astronáutica do MIT, compara os resultados da equipe à busca contínua de décadas dos cientistas pela fabricação de nanotubos de carbono em grande escala.

“Em 1991, um único nanotubo de carbono foi identificado como uma coisa interessante, mas já se passaram 30 anos para obter nanotubos de carbono alinhados em massa, e o mundo ainda não está totalmente lá”, diz Wardle. “Com o trabalho que estamos fazendo, acabamos de entrar em curto-circuito em cerca de 20 anos para chegar a versões em grande escala de nanotubos de nitreto de boro alinhados”.

Wardle é o autor sênior do novo estudo, que inclui o autor principal e pesquisador do MIT Luiz Acauan, o ex-pós-doutorado do MIT Haozhe Wang e colaboradores da Universidade de Tóquio.

Assim como o grafeno, o nitreto de boro hexagonal tem uma estrutura molecular semelhante a um arame. No grafeno, essa configuração de arame é feita inteiramente de átomos de carbono , dispostos em um padrão repetitivo de hexágonos. Para hBN, os hexágonos são compostos de átomos alternados de boro e nitrogênio. Nos últimos anos, os pesquisadores descobriram que as folhas bidimensionais de hBN exibem propriedades excepcionais de resistência, rigidez e resiliência em altas temperaturas. Quando as folhas de hBN são enroladas na forma de nanotubos, essas propriedades são ainda mais aprimoradas, principalmente quando os nanotubos estão alinhados, como pequenas árvores em uma floresta densamente compactada.

Mas encontrar maneiras de sintetizar BNNTs estáveis ??e de alta qualidade provou ser um desafio. Um punhado de esforços para fazer isso produziu fibras não alinhadas de baixa qualidade.

"Se você pode alinhá-los, você tem uma chance muito maior de aproveitar as propriedades do BNNT em grande escala para fazer dispositivos físicos, compostos e membranas reais", diz Wardle.

Em 2020, Rong Xiang e colegas da Universidade de Tóquio descobriram que poderiam produzir nanotubos de nitreto de boro de alta qualidade usando primeiro uma abordagem convencional de deposição de vapor químico para cultivar uma floresta de nanotubos de carbono curtos e com poucos mícrons de comprimento. Eles então revestiram a floresta à base de carbono com "precursores" de boro e nitrogênio gasoso, que quando cozidos em um forno a altas temperaturas cristalizaram nos nanotubos de carbono para formar nanotubos de alta qualidade de nitreto de boro hexagonal com nanotubos de carbono dentro.

No novo estudo, Wardle e Acauan ampliaram e dimensionaram a abordagem de Xiang, essencialmente removendo os nanotubos de carbono subjacentes e deixando os longos nanotubos de nitreto de boro por conta própria. A equipe se baseou na experiência do grupo de Wardle, que há anos se concentra na fabricação de matrizes alinhadas de nanotubos de carbono de alta qualidade. Com seu trabalho atual, os pesquisadores procuraram maneiras de ajustar as temperaturas e pressões do processo de deposição de vapor químico para remover os nanotubos de carbono, deixando intactos os nanotubos de nitreto de boro.

"Nas primeiras vezes que fizemos isso, foi um lixo completamente feio", lembra Wardle. "Os tubos se enrolaram em uma bola e não funcionaram."

Eventualmente, a equipe encontrou uma combinação de temperaturas, pressões e precursores que fizeram o truque. Com essa combinação de processos, os pesquisadores primeiro reproduziram os passos que Xiang deu para sintetizar os nanotubos de carbono revestidos com nitreto de boro. Como o hBN é resistente a temperaturas mais altas que o grafeno, a equipe então aumentou o calor para queimar o andaime de nanotubos de carbono preto subjacente , deixando intactos os nanotubos de nitreto de boro transparentes e independentes.

Em imagens microscópicas , a equipe observou estruturas cristalinas claras – evidência de que os nanotubos de nitreto de boro têm alta qualidade. As estruturas também eram densas: dentro de um centímetro quadrado, os pesquisadores conseguiram sintetizar uma floresta de mais de 100 bilhões de nanotubos de nitreto de boro alinhados , que mediam cerca de um milímetro de altura – grande o suficiente para ser visível a olho nu. Pelos padrões de engenharia de nanotubos, essas dimensões são consideradas "em massa" em escala.

"Agora somos capazes de fabricar essas fibras em nanoescala em grande escala, o que nunca foi mostrado antes", diz Acauan.

Para demonstrar a flexibilidade de sua técnica, a equipe sintetizou estruturas maiores baseadas em carbono, incluindo uma trama de fibras de carbono, um tapete de nanotubos de carbono "difusos" e folhas de nanotubos de carbono orientados aleatoriamente conhecidos como "buckypaper". Eles revestiram cada amostra à base de carbono com precursores de boro e nitrogênio, depois passaram pelo processo para queimar o carbono subjacente. Em cada demonstração, eles ficaram com uma réplica de nitreto de boro do andaime original de carbono preto.

Eles também foram capazes de "derrubar" as florestas de BNNTs, produzindo filmes de fibra alinhados horizontalmente que são uma configuração preferida para incorporação em materiais compósitos.

"Agora estamos trabalhando em fibras para reforçar compósitos de matriz cerâmica, para aplicações hipersônicas e espaciais onde há temperaturas muito altas e para janelas para dispositivos que precisam ser opticamente transparentes", diz Wardle. "Você poderia fazer materiais transparentes que são reforçados com esses nanotubos muito fortes."