Dans la science des nanotubes, le nitrure de bore est-il le nouveau carbone ?


Des ingénieurs du MIT et de l’Université de Tokyo ont produit des structures à l’échelle centimétrique, suffisamment grandes pour que l’œil puisse les voir, qui contiennent des centaines de milliards de fibres creuses alignées, ou nanotubes, fabriqués à partir de nitrure de bore hexagonal.

Le nitrure de bore hexagonal, ou hBN, est un matériau mince à un seul atome qui a été inventé « graphène blanc » pour son aspect transparent et sa similitude avec le graphène à base de carbone en termes de structure moléculaire et de résistance. Il peut également résister à des températures plus élevées que le graphène et est électriquement isolant plutôt que conducteur. Lorsque le hBN est enroulé dans des tubes à l’échelle nanométrique, ou nanotubes, ses propriétés exceptionnelles sont considérablement améliorées.

Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui dans la revue ACS Nano, fournissent une voie vers la fabrication de nanotubes de nitrure de bore alignés (A-BNNT) en vrac. Les chercheurs prévoient d’exploiter la technique pour fabriquer des réseaux à grande échelle de ces nanotubes, qui peuvent ensuite être combinés avec d’autres matériaux pour fabriquer des composites plus solides et plus résistants à la chaleur, par exemple pour protéger les structures spatiales et les avions hypersoniques.

Le hBN étant transparent et électriquement isolant, l’équipe envisage également d’incorporer les BNNT dans des fenêtres transparentes et de les utiliser pour isoler électriquement les capteurs des appareils électroniques. L’équipe étudie également les moyens de tisser les nanofibres dans des membranes pour la filtration de l’eau et pour « l’énergie bleue » – un concept d’énergie renouvelable dans lequel l’électricité est produite à partir du filtrage ionique de l’eau salée en eau douce.

Brian Wardle, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT, compare les résultats de l’équipe à la poursuite continue des scientifiques depuis des décennies dans la fabrication de nanotubes de carbone à grande échelle.

« En 1991, un seul nanotube de carbone a été identifié comme une chose intéressante, mais cela fait 30 ans que les nanotubes de carbone sont alignés en masse, et le monde n’en est même pas encore complètement là », déclare Wardle. « Avec le travail que nous faisons, nous venons de court-circuiter environ 20 ans pour arriver à des versions à grande échelle de nanotubes de nitrure de bore alignés. »

Wardle est l’auteur principal de la nouvelle étude, qui comprend l’auteur principal et chercheur au MIT Luiz Acauan, l’ancien post-doctorant du MIT Haozhe Wang et des collaborateurs de l’Université de Tokyo.

Une vision alignée

Comme le graphène, le nitrure de bore hexagonal a une structure moléculaire ressemblant à du grillage à poule. Dans le graphène, cette configuration en fil de poulet est entièrement constituée d’atomes de carbone, disposés selon un motif répétitif d’hexagones. Pour hBN, les hexagones sont composés d’atomes alternés de bore et d’azote. Ces dernières années, les chercheurs ont découvert que les feuilles bidimensionnelles de hBN présentent des propriétés exceptionnelles de résistance, de rigidité et de résilience à des températures élevées. Lorsque des feuilles de hBN sont enroulées sous forme de nanotubes, ces propriétés sont encore améliorées, en particulier lorsque les nanotubes sont alignés, comme de minuscules arbres dans une forêt densément peuplée.

Mais trouver des moyens de synthétiser des BNNT stables et de haute qualité s’est avéré difficile. Une poignée d’efforts pour y parvenir ont produit des fibres non alignées de mauvaise qualité.

« Si vous pouvez les aligner, vous avez de bien meilleures chances d’exploiter les propriétés des BNNT à grande échelle pour fabriquer de véritables dispositifs physiques, composites et membranes », déclare Wardle.

En 2020, Rong Xiang et ses collègues de l’Université de Tokyo ont découvert qu’ils pouvaient produire des nanotubes de nitrure de bore de haute qualité en utilisant d’abord une approche conventionnelle de dépôt chimique en phase vapeur pour faire pousser une forêt de nanotubes de carbone courts de quelques microns de long. Ils ont ensuite recouvert la forêt à base de carbone de « précurseurs » de bore et d’azote gazeux, qui, une fois cuits dans un four à haute température, se sont cristallisés sur les nanotubes de carbone pour former des nanotubes de haute qualité de nitrure de bore hexagonal avec des nanotubes de carbone à l’intérieur.

Échafaudages brûlants

Dans la nouvelle étude, Wardle et Acauan ont étendu et mis à l’échelle l’approche de Xiang, en supprimant essentiellement les nanotubes de carbone sous-jacents et en laissant les longs nanotubes de nitrure de bore se tenir seuls. L’équipe s’est appuyée sur l’expertise du groupe de Wardle, qui s’est concentré pendant des années sur la fabrication de réseaux alignés de haute qualité de nanotubes de carbone. Avec leurs travaux actuels, les chercheurs ont cherché des moyens d’ajuster les températures et les pressions du processus de dépôt chimique en phase vapeur afin d’éliminer les nanotubes de carbone tout en laissant intacts les nanotubes de nitrure de bore.

« Les premières fois que nous l’avons fait, c’était des ordures complètement laide », se souvient Wardle. « Les tubes se sont enroulés en boule et ils n’ont pas fonctionné. »

Finalement, l’équipe a trouvé une combinaison de températures, de pressions et de précurseurs qui ont fait l’affaire. Avec cette combinaison de processus, les chercheurs ont d’abord reproduit les étapes suivies par Xiang pour synthétiser les nanotubes de carbone revêtus de nitrure de bore. Comme le hBN résiste à des températures plus élevées que le graphène, l’équipe a ensuite augmenté la chaleur pour brûler l’échafaudage de nanotubes de carbone noir sous-jacent, tout en laissant intacts les nanotubes de nitrure de bore transparents et autonomes.

Dans des images microscopiques, l’équipe a observé des structures cristallines claires, preuve que les nanotubes de nitrure de bore sont de haute qualité. Les structures étaient également denses : dans un centimètre carré, les chercheurs ont pu synthétiser une forêt de plus de 100 milliards de nanotubes de nitrure de bore alignés, mesurant environ un millimètre de hauteur, suffisamment grande pour être visible à l’œil nu. Selon les normes d’ingénierie des nanotubes, ces dimensions sont considérées comme étant « en vrac » à l’échelle.

« Nous sommes maintenant en mesure de fabriquer ces fibres nanométriques à grande échelle, ce qui n’a jamais été démontré auparavant », déclare Acauan.

Pour démontrer la flexibilité de leur technique, l’équipe a synthétisé de plus grandes structures à base de carbone, y compris un tissage de fibres de carbone, un tapis de nanotubes de carbone « flous » et des feuilles de nanotubes de carbone orientés au hasard appelés « buckypaper ». Ils ont recouvert chaque échantillon à base de carbone de précurseurs de bore et d’azote, puis ont suivi leur processus pour brûler le carbone sous-jacent. Dans chaque démonstration, ils se sont retrouvés avec une réplique en nitrure de bore de l’échafaudage original en carbone noir.

Ils ont également pu « abattre » les forêts de BNNT, produisant des films de fibres alignés horizontalement qui sont une configuration préférée pour être incorporés dans des matériaux composites.

« Nous travaillons maintenant sur des fibres pour renforcer les composites à matrice céramique, pour les applications hypersoniques et spatiales où les températures sont très élevées, et pour les fenêtres des appareils qui doivent être optiquement transparents », explique Wardle. « Vous pourriez fabriquer des matériaux transparents renforcés avec ces nanotubes très résistants. »

Cette recherche a été soutenue, en partie, par Airbus, ANSYS, Boeing, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB et Teijin Carbon America par le biais du consortium Nano-Engineered Composite aerospace STructures (NECST) du MIT.

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