Flashear crea duro

Los científicos de la Universidad Rice que “flash” materiales para sintetizar sustancias como el grafeno han centrado su atención en el nitruro de boro, muy valorado por su estabilidad térmica y química.

El proceso realizado por el laboratorio Rice del químico James Tour expone un precursor a un calentamiento y enfriamiento rápidos para producir materiales bidimensionales, en este caso nitruro de boro puro y nitruro de boro-carbono. Hasta ahora, ambos han sido difíciles de crear a granel y casi imposibles de producir en forma fácilmente soluble.

El informe del laboratorio en Advanced Materials detalla cómo el calentamiento flash Joule, una técnica introducida por el laboratorio Tour en 2020, se puede ajustar para preparar escamas microscópicas purificadas de nitruro de boro con distintos grados de carbono.

Los experimentos con el material demostraron que las escamas de nitruro de boro se pueden utilizar como parte de un potente revestimiento anticorrosivo.

"El nitruro de boro es un material 2D muy buscado", dijo Tour. "Poder fabricarlo a granel y ahora con cantidades mixtas de carbono lo hace aún más versátil".

A nanoescala, el nitruro de boro se presenta en varias formas, incluida una configuración hexagonal que parece grafeno pero con átomos de boro y nitrógeno alternos en lugar de carbono. El nitruro de boro es blando, por lo que a menudo se usa como lubricante y como aditivo en cosméticos, y también se encuentra en compuestos cerámicos y metálicos para mejorar su capacidad para soportar altas temperaturas.

El ingeniero químico de Rice, Michael Wong, informó recientemente que el nitruro de boro es un catalizador eficaz para ayudar a destruir los PFAS, un peligroso "químico permanente" que se encuentra en el medio ambiente y en los humanos.

El calentamiento Flash Joule implica rellenar materiales de origen entre dos electrodos en un tubo y enviar una rápida descarga de electricidad a través de ellos. En el caso del grafeno, los materiales pueden ser casi cualquier cosa que contenga carbono; residuos de alimentos y piezas de plástico usadas de automóviles son sólo dos ejemplos. El proceso también ha aislado con éxito elementos de tierras raras de las cenizas volantes de carbón y otras materias primas.

En experimentos dirigidos por el estudiante graduado de Rice, Weiyin Chen, el laboratorio alimentó borano de amoníaco (BH3NH3) en la cámara de flash con cantidades variables de negro de carbón, dependiendo del producto deseado. Luego, la muestra se calentó dos veces, primero con 200 voltios para desgasificar la muestra de elementos extraños y nuevamente con 150 voltios para completar el proceso, con un tiempo total de ignición de menos de un segundo.

Las imágenes microscópicas mostraron que las escamas son turboestráticas (es decir, desalineadas como placas mal apiladas) con interacciones debilitadas entre ellas. Eso hace que los copos sean fáciles de separar.

También son fácilmente solubles, lo que llevó a los experimentos anticorrosión. El laboratorio mezcló nitruro de boro instantáneo con alcohol polivinílico (PVA), pintó el compuesto sobre una película de cobre y expuso la superficie a oxidación electroquímica en un baño de ácido sulfúrico.

El compuesto flash demostró ser un 92 % mejor para proteger el cobre que el PVA solo o un compuesto similar con nitruro de boro hexagonal comercial. Las imágenes microscópicas mostraron que el compuesto creaba “vías de difusión tortuosas para electrolitos corrosivos” para llegar al cobre y también impedía la migración de iones metálicos.

Chen dijo que la conductividad del precursor se puede ajustar no sólo añadiendo carbono sino también con hierro o tungsteno.

Dijo que el laboratorio ve potencial para mostrar materiales adicionales. "Los precursores que se han utilizado en otros métodos, como la deposición química de vapor y la hidrotermal, se pueden probar en nuestro método flash para ver si podemos preparar más productos con características metaestables", dijo Chen. "Hemos demostrado la flashización de carburos metálicos en fase metaestable y dicalcogenuros de metales de transición, y esta parte merece más investigación".

Los coautores del estudio son los ex alumnos de Rice John Tianci Li, Wala Algozeeb, Paul Advincula, Emily McHugh y Duy Xuan Luong, los estudiantes de posgrado Chang Ge, Zhe Yuan, Jinhang Chen, Kexin Ling, Chi Hun Choi, Kevin Wyss y Zhe Wang. el científico investigador Guanhui Gao y Yimo Han, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. Tour es catedrático de Química de TT y WF Chao, así como profesor de informática y ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice.

La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550‐19‐1‐0296), el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. (W912HZ‐21‐2‐0050) y la Fundación Welch (C‐2065‐20210327) apoyaron la investigación.

Boro-carbono-nitrógeno y nitruro de boro turbostráticos mediante calentamiento Flash Joule: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202666

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0718_BORON-1-WEB.jpg

Partículas de nitruro de boro flash cortado mecánicamente, vistas a través de un microscopio electrónico de barrido. La flecha muestra la dirección de la fuerza cortante aplicada al material. El proceso de calentamiento flash Joule desarrollado en la Universidad Rice crea materiales turboestráticos con interacciones débiles entre capas, lo que las hace más fáciles de separar. (Crédito: Tour Group/Universidad de Rice)

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Una ilustración compara escamas de nitruro de boro hexagonal, arriba, y nitruro de boro turbostrático, abajo; este último sintetizado mediante el proceso de calentamiento flash Joule desarrollado en la Universidad Rice. Los materiales bidimensionales son turbostráticos cuando las interacciones entre sus capas son débiles, lo que los hace más fáciles de separar y solubilizar. (Crédito: Tour Group/Universidad de Rice)

El laboratorio de arroz convierte la basura en grafeno valioso en un instante: https://news.rice.edu/news/2020/rice-lab-turns-trash-valuable-graphene-flash

Los automóviles podrían obtener una actualización "llamativa": https://news.rice.edu/news/2022/cars-could-get-flashy-upgrade

La ceniza de plástico intermitente completa el reciclaje: https://news.rice.edu/news/2021/flashing-plastic-ash-completes-recycling

El aprendizaje automático afina el grafeno flash: https://news.rice.edu/news/2022/machine-learning-fine-tunes-flash-graphene

Grupo turístico: https://www.jmtour.com

Departamento de Química: https://chemistry.rice.edu

Facultad de Ciencias Naturales Wiess: https://naturalsciences.rice.edu

Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país según US News & World Report. Rice cuenta con escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4240 estudiantes universitarios y 3972 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios universitarios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por su gran interacción entre raza y clase y el número 1 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.