未来的二维材料——氮化硼

      未来的二维材料——氮化硼

      能够制造原子厚度的材料物理学是令人着迷的，丰富多彩的。材料科学家除了为凝聚态物理理论家和实验者提供场所外，还探索2D材料，薄膜和纳米层的广泛应用。当然，最^的是石墨烯和碳纳米管，他们是碳化学性质非常灵活的应用。但是碳远非^可以用这种方式操作的元素或化合物。

      氮化硼化合物传统上是由于其高温回弹性和化学稳定性而制造的。因此，它被用作高温陶瓷。然而，其化学结构允许生产类似于碳纳米管的氮化硼纳米管。预测于1994年并在第二年合成，这些纳米管具有非常不同的性质；与碳纳米管不同，它们是电绝缘体，并且它们的热稳定性和化学稳定性也比它们的碳化物更好。这种增强的热稳定性，以及它们增强的中子辐射抗性，意味着潜在的应用包括太空等^环境。

      早在2015年，纽约州立大学宾汉顿分校机械工程系的科学家团队就证明，氮化硼纳米管的单位重量强度可能比其碳化物更强，并将结果发表在Applied Physics Letters期刊上。氮化硼纳米管本身的强度与碳纳米管类似，但是当它们与聚合物时，氮化硼纳米管与聚合物牢固粘附的事实使它们具有超过碳的强度。

      副教授ChanghongKe说：“这些纳米复合材料中最薄弱的环节是聚合物和纳米管之间的界面。”

      通过研究这些复合材料的撕裂方式，并且观察结构如何在扭转下进行响应，科学家们能够确定所使用的聚合物的粘附水平。

      这种优异强度的理论基础是因为氮化硼是两种元素的化合物；因为氮原子具有比硼原子更多的质子并且使电子电荷分布向其位置移动，因此电荷分布不均匀。这导致纳米管和聚合物之间更强的电荷相互作用。

      氮化硼纳米管的另一个优点是它们是压电的；在压力下，他们可以产生电。在2017年，还发现了另一种可能非常重要的氮化硼的应用方向。莱斯大学的科学家们能够制造一种由可吸收二氧化碳的二维六方氮化硼片组成的泡沫。

      鉴于许多满足“巴黎协定”的预测需要控制二氧化碳排放量，科学家一直在思考如何从大气中吸收二氧化碳。经典的解决方案是使用生物燃料，并吸收燃烧时释放的二氧化碳，但根据一些预测，所需的生物燃料会占用地球上太多的土地。出于这个原因，那些“直接捕获空气”的支持者正在寻找一种能够吸收空气中二氧化碳的材料，并且^能够在不消耗太多能量的情况下将其除干净.

      氮化硼泡沫似乎可能是一个有趣的候选材料；在分子动力学模拟中，它可以吸收其二氧化碳是自身重量340％。由于氮化硼泡沫的多孔性和可调性，这意味着它可以适应过滤许多不同种类的气体。泡沫是通过冷冻干燥二维氮化硼层然后加入聚乙烯醇（PVA）来形成的。

      即使是非常少量的PVA也能起作用。它使得h-BN片材之间的粘合起来而有助于使泡沫变硬，同时，它根本不会改变表面积。

      这里的想法将CO2从使用过的氮化硼泡沫中蒸发出来，以便材料可以重复使用以吸收更多的二氧化碳。不同的涂层似乎对泡沫具有不同的效果——当涂布聚合物PDMS时，泡沫能够有效屏蔽激光，可用于生物医学或工业应用。Rice团队未来研究的最终目标是加强对泡沫孔径的控制，这可以将其转化为过滤器，用于分离油和水等任务。

      到目前为止，氮化硼的主要缺点是成本，这些纳米管价值是1000美元/克，而不是像其他碳化物一样仅10-20美元/克。然而，由于这种材料相当新，当找到更多有用的用途时，价格可能会下降，并且开始大规模生产；碳纳米管的价格曲线会有所下降。由于增强了热稳定性和对聚合物的粘附力，它们很可能成为用于某些行业（如航空航天）的纳米管材料，并且进一步研究过滤二氧化碳的潜力。