В изящном сочетании искусства и науки исследователи из Университета Райса достигли важной вехи в области нанотехнологий, обнаружив, как можно заставить нанотрубки нитрида бора (BNNTs), известные своей прочностью, термической стабильностью и изоляционными свойствами, формировать упорядоченные жидкокристаллические фазы в воде. Их работа, опубликованная в журнале Langmuir, привлекла внимание благодаря визуальной выразительности и была размещена на обложке издания.
Эта яркая картинка представляет собой нечто большее, чем просто изображение науки на наноуровне. Она отражает суть нового масштабируемого метода выравнивания BNNTs в водных растворах с использованием распространённого желчно-солевого сурфактанта — дезоксихолата натрия (SDC), открывая путь к созданию материалов нового поколения для аэрокосмической отрасли, электроники и других сфер.
«Эта работа очень интересна с фундаментальной точки зрения, поскольку показывает, что BNNTs могут использоваться в качестве модельных систем для изучения новых наностержневых жидких кристаллов», — сказал Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии, профессор химии, материаловедения и наноинженерии и автор исследования.
«Основное преимущество заключается в том, что BNNTs относительно прозрачны и легко изучаются с помощью видимого света, в отличие от углеродных нанотрубок, которые образуют тёмные жидкие кристаллы, трудно поддающиеся исследованию с помощью световой микроскопии», — добавил он.
Для первого автора Джо Хури исследование стало больше, чем рутинной наукой. Получив образование архитектора в Сирии, он перешёл на химическую инженерию после переезда в США, но его опыт в области визуального дизайна, возможно, помог ему увидеть то, что могли упустить другие.
Во время рутинного этапа очистки он заметил, что по мере фильтрации воды из дисперсии оставшийся материал становился густым и светился под поляризованным светом — признак формирования жидкого кристалла. Вдохновлённые этим наблюдением, исследователи выдвинули гипотезу, что увеличение концентрации SDC приведёт к самосборке BNNTs в упорядоченные нематические фазы.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи провели серию экспериментов, подготавливая дисперсии BNNT-SDC при различных концентрациях. Они использовали поляризованную световую микроскопию для наблюдения за переходом от неупорядоченных состояний к частично упорядоченным, а затем и полностью упорядоченным жидкокристаллическим фазам. Криогенная электронная микроскопия подтвердила выравнивание BNNT на наноуровне.
Исследователи создали первую комплексную фазовую диаграмму для BNNT в растворах с сурфактантами — карту-прогноз, которая позволяет учёным предвидеть поведение BNNT при различных концентрациях.
«Никто раньше этого не делал, — сказал Хури. — Предыдущие исследования проводились либо при низких концентрациях BNNT, либо с использованием слишком малого количества сурфактанта. Мы показали, что при увеличении обеих составляющих в правильной пропорции можно запустить упорядочивание жидких кристаллов без использования агрессивных химикатов или сложных процедур».
Помимо составления карты фазового поведения, команда разработала простой воспроизводимый метод превращения этих дисперсий в тонкие, хорошо выровненные плёнки BNNT. Используя специализированное лезвие для переноса материала на предметное стекло, они изготовили прозрачные, прочные плёнки, идеально подходящие для терморегулирования и структурного армирования (например, более лёгкие, прочные и термостойкие компоненты в технических устройствах или самолётах). С помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии команда подтвердила выравнивание на наноуровне.
«Мы продемонстрировали, что нематическое выравнивание в растворе можно сохранить и перевести в твёрдые плёнки», — сказал Хури. «Это делает эту платформу высокомасштабируемой для создания материалов нового поколения».
Исследование закладывает основу для новых исследований лиотропных жидких кристаллов, образованных из наностержней. Его простота — отсутствие сильных кислот, отсутствие жёстких условий — делает его доступным для лабораторий по всему миру. А его значение простирается от теоретической физики до коммерческого материаловедения.
«Это только начало», — сказал Паскуали. «С этой дорожной картой мы теперь можем изучить, как точно настроить выравнивание BNNT для конкретных приложений. Речь идёт не только о создании плёнок; речь идёт о понимании совершенно нового класса функциональных наноматериалов».
Паскуали добавил, что красота изображений завораживает. «Когда Джо прислал мне изображения-кандидаты для обложки, я почувствовал, что смотрю на картины Дали или Ван Гога», — сказал Паскуали. «Изображение обложки могло бы быть башней Барад-дура из «Властелина колец», нарисованной художником-сюрреалистом».
Хури добавил, что это исследование было бы невозможно без руководства и наставничества со стороны его команды и соавторов, включая Паскуали; Анхеля Марти, профессора и заведующего кафедрой химии и профессора биоинженерии и материаловедения и наноинженерии в Райсе; Чола Парка из Исследовательского центра им. Лэнгли НАСА; Линдси Скэммелл из BNNT LLC; и Ешаяху Талмона из Технологического института Техниона в Израиле, среди прочих.
Предоставлено Университетом Райса.