同时合成许多“白色石墨烯”纳米管

来自麻省理工学院（MIT）和东京大学的工程师团队创造了厘米级结构，该结构由六方氮化硼（hBN）组成，并装有数千亿根中空排列的纤维（纳米管）。这些厘米尺度的结构足够大，肉眼可以看到。

麻省理工学院的工程师通过燃烧黑碳支架来制造一片“白色石墨烯”纳米管森林（此处显示为麻省理工学院）。图片来源：由研究人员提供

hBN是一种单原子薄材料，由于其透明的外观和分子结构和强度与碳基石墨烯的相似性而被称为“白色石墨烯”。它可以承受比石墨烯更高的温度，并且是电绝缘的而不是导电的。当hBN被卷制成纳米级管（或纳米管）时，其显着性能得到显着改善。

该团队的研究结果最近发表在ACS Nano上，为批量制造排列氮化硼纳米管（A-BNNTs）提供了一条途径。科学家们的目标是利用该方法生产大量这些纳米管，然后可以与其他材料集成，以制造更坚固，更具耐热性的复合材料，例如，保护高超音速飞机和太空结构。

由于hBN是电绝缘和透明的，研究人员还打算将BNNT集成到透明窗口中，并利用它们对电子设备内的传感器进行电气绝缘。

研究人员还在研究将纳米纤维编织成膜进行水过滤和“蓝色能量”的方法，这是一种可再生能源的新想法，其中通过将盐水离子筛成淡水来产生电力。

麻省理工学院航空航天学教授布莱恩·沃德尔（Brian Wardle）将该团队的成果与研究人员数十年来对制造大规模碳纳米管的持续追求进行了比较。

1991年，单个碳纳米管被认为是一件有趣的事情，但已经有30年的时间了，而世界甚至还没有完全实现。通过我们正在做的工作，我们刚刚缩短了大约20年的时间，以获得大规模版本的排列氮化硼纳米管。

Brian Wardle，研究资深作者，麻省理工学院航空航天学教授

Wardle是该研究的资深作者。该研究还包括主要作者和麻省理工学院研究科学家Luiz Acauan，前麻省理工学院博士后研究员Haozhe Wang以及东京大学的同事。

与石墨烯类似，hBN具有类似于鸡丝的分子结构。在石墨烯中，这种鸡丝形成由以六边形重复图案组织的碳原子组成。

对于hBN，六边形由氮和硼的交替原子组成。在过去的几年中，科学家们了解到，二维（2D）hBN片在高温下表现出优异的刚度，强度和弹性特性。

当hBN片被卷制成纳米管结构时，这些性能得到了额外的改善，主要是当纳米管对齐时，就像密密麻麻的森林中的微型树一样。

但是，找到制造稳定、优质BNNTs的方法一直很困难，一些努力只创造了低质量的、非对准的纤维。

如果你能将它们对齐，你就有更好的机会在大规模上利用BNNT的特性来制造实际的物理设备、复合材料和膜。

Brian Wardle，研究资深作者，麻省理工学院航空航天学教授

2020年，东京大学的Rong Xiang及其同事发现，他们可以通过首先使用传统的化学气相沉积方法开发一堆微小，几微米长的碳纳米管来制造出优质的氮化硼纳米管。

然后，他们用氮和硼气体的“前体”涂覆碳基森林。当在高温烘箱中烘烤时，它会结晶到碳纳米管上，以形成内部含有碳纳米管的优质hBN纳米管。

在这项新研究中，Wardle和Acauan扩展并扩展了Xiang的方法，消除了下面的碳纳米管，并允许保留长氮化硼纳米管。研究人员从Wardle的小组中汲取了见解，该小组多年来一直专注于构建高质量的碳纳米管排列阵列。

该团队寻找方法来微调化学气相沉积过程的压力和温度，以消除碳纳米管，同时允许氮化硼纳米管完整。

我们做的前几次，完全是丑陋的垃圾。管子蜷缩成一个球，它们不起作用。

Brian Wardle，研究资深作者，麻省理工学院航空航天学教授

该团队发现了解决了这些问题的压力，温度和前体的组合。利用这种工艺组合，科学家们首先复制了Xiang制造氮化硼涂层碳纳米管的步骤。

由于hBN不透水于比石墨烯更高的温度，因此，研究人员增加了热量以烧掉初级黑碳纳米管支架，同时允许透明的独立氮化硼纳米管保持完整。

在显微图片中，研究人员注意到清晰的晶体结构，证明氮化硼纳米管是高质量的。这些结构也很密集，在一平方厘米内，该团队能够制造出超过1000亿个排列的氮化硼纳米管的森林，这些纳米管的高度约为一毫米，大到足以用肉眼看到。根据纳米管工程原理，这些尺寸在规模上是“大块”的。

“我们现在能够以大规模制造这些纳米级纤维，这是以前从未展示过的，”阿卡安说。

为了展示他们方法的多功能性，研究人员创造了更大的碳基结构，包括“模糊”碳纳米管垫，碳纤维编织和随机排列的碳纳米管片，称为“巴基纸”。

他们用氮和硼前体涂覆每个碳基样品，然后执行燃烧掉底层碳的过程。每个实验都留下了原始黑碳支架的氮化硼复制品。

他们还可以“击倒”BNNT的森林，创造出水平排列的纤维薄膜，这是集成到复合材料中的有利配置。

我们现在正致力于纤维以增强陶瓷基复合材料，用于高温的高超音速和太空应用，以及需要光学透明的设备的窗口。你可以制造透明的材料，用这些非常坚固的纳米管加固。

Brian Wardle，研究资深作者，麻省理工学院航空航天学教授

这项研究得到了萨博AB，空中客车，波音，ANSYS，洛克希德马丁，巴西航空工业公司和帝人碳美国通过麻省理工学院纳米工程复合材料航空航天STructures（NECST）联盟的部分协助。

期刊参考

Acauan, L. H., et al. (2022) Micro- and Macrostructures of Aligned Boron Nitride Nanotube Arrays. ACS Nano. doi.org/ 10.1021/acsnano.2c05229.