29.01.2021 - Rice University

Un pequeño jabón simplifica la fabricación de nanoflakes 2D

Los experimentos del laboratorio Rice perfeccionan el procesamiento del nitruro de boro hexagonal

Un poco de jabón ayuda a limpiar el difícil proceso de preparación del nitruro de boro hexagonal (hBN) bidimensional.

Los químicos de la Universidad de Rice han encontrado una forma de obtener la máxima cantidad de nanoescalas de hBN 2D de calidad a partir de su forma natural a granel, procesándolas con surfactante (también conocido como jabón) y agua. El tensioactivo rodea y estabiliza las escamas microscópicas, preservando sus propiedades.

Los experimentos del laboratorio del químico de Rice Ángel Martí identificaron el "punto dulce" para hacer dispersiones estables de hBN, que pueden procesarse en películas antibacterianas muy finas que soportan temperaturas de hasta 900 grados Celsius (1.652 grados Fahrenheit).

El trabajo dirigido por Martí, la ex alumna Ashleigh Smith McWilliams y la estudiante de posgrado Cecilia Martínez-Jiménez se detalla en la revista de la American Chemical Society ACS Applied Nano Materials.

"Los materiales de nitruro de boro son interesantes, sobre todo porque son extremadamente resistentes al calor", dijo Martí. "Son tan ligeros como el grafeno y los nanotubos de carbono, pero puedes poner el hBN en una llama y no le pasa nada".

Dijo que el hBN a granel es barato y fácil de obtener, pero su procesamiento en bloques de construcción microscópicos ha sido un reto. "El primer paso es poder exfoliarlos y dispersarlos, pero la investigación sobre cómo hacerlo ha sido dispersa", dijo Martí. "Cuando decidimos establecer un punto de referencia, descubrimos que los procesos que han sido extremadamente útiles para el grafeno y los nanotubos no funcionan tan bien para el nitruro de boro".

La sonicación del hBN a granel en agua logró exfoliar el material y hacerlo soluble. "Eso nos sorprendió, porque los nanotubos o el grafeno simplemente flotan encima", dijo Martí. "El hBN se dispersó por toda la superficie, aunque no era especialmente estable.

"Resultó que los bordes de los cristales de nitruro de boro están formados por grupos de amina y óxido nítrico y ácido bórico, y todos estos grupos son polares (con carga positiva o negativa)", dijo. "Así que cuando los exfolias, los bordes están llenos de estos grupos funcionales a los que les gusta mucho el agua. Eso nunca ocurre con el grafeno".

Los experimentos con nueve tensioactivos les ayudaron a encontrar el tipo y la cantidad adecuados para evitar que el hBN 2D se aglutine sin cortar demasiado las escamas individuales durante la sonicación. Los investigadores utilizaron un 1% en peso de cada tensioactivo en agua, añadieron 20 miligramos de hBN a granel y agitaron y sonicaron la mezcla.

La centrifugación de las soluciones resultantes a velocidades bajas y altas demostró que el mayor rendimiento se obtenía con el tensioactivo conocido como PF88 bajo centrifugación de gravedad 100, pero las nanohojas de mayor calidad procedían de todos los tensioactivos iónicos bajo centrifugación de 8.000 g, con la mayor estabilidad de los tensioactivos iónicos comunes SDS y CTAC.

El DTAB (abreviatura de bromuro de dodeciltrimetilamonio), sometido a un alto grado de centrifugación, resultó ser el mejor para equilibrar el rendimiento y la calidad del hBN 2D. Los investigadores también produjeron una película transparente a partir de nanoplanchas de hBN dispersas en SDS y agua para demostrar cómo pueden transformarse en productos útiles.

"Describimos los pasos que hay que dar para producir escamas de hBN de alta calidad", dijo Martí. "Todos los pasos son importantes, y pudimos sacar a la luz las consecuencias de cada uno".

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